AN-1083 应用笔记 One Technology Way • P.O. Box 9106 • Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. • Tel: 781.329.4700 • Fax: 781.461.3113 • www.analog.com 利用开关调节器ADP2300和ADP2301设计反相降压/升压转换器 作者：Matthew C. Kessler 简介 QP DS VIN 以便解决尽可能多的电源管理挑战。ADI公司的电源管理 VOUT + CIN + L1 COUT RLOAD IC可提供这种多功能性，并能降低复杂度和系统成本，加 快上市时间，提高设计鲁棒性。ADI公司的ADP2300和 图 1.反相降压/升压拓扑结构 VIN VOUT的异步降压功能，输出电流最高可达1.2 A，开关频率 CIN 为700 kHz或1.4 MHz。降压拓扑结构的实现在ADP230x数 据手册中已有详细说明，并获得ADI公司ADIsimPower VOUT + L1 COUT + RLOAD 图 2.电流流向图—接通时—QP 闭合、DS 断开 Designer Tool的支持。 VIN CIN 虽然ADP230x系列是针对降压应用而设计，但其多功能性 VOUT + L1 + COUT RLOAD 允许它在不增加成本、器件数量和尺寸的情况下，实现反 图 3.电流流向图—断开时—QP 断开、DS 闭合 相降压/升压拓扑结构。通常需要DC-DC电压反相器以从 何利用ADP230x实现异步反相降压/升压拓扑结构，以便从 正电源产生负电压。 09212-003 DC-DC电 压 调 节 器 设 计 工 具 扩 展 版 本 ADP230xBuck 换器、比较器以及其它模拟电路供电。本应用笔记讨论如 09212-002 ADP2301(ADP230x)开关调节器可以提供从20 VIN降至0.8 正的中间系统电压产生负电压，为放大器、模数和数模转 09212-001 DC-DC转换器设计人员需要多功能开关控制器和调节器， 对一个无损系统应用电感伏秒平衡原理和电容电荷平衡原 理，可以求得方程式1所规定的稳态直流转换比和方程式2 所规定的连续导通模式(CCM)下电感电流的直流值。 VOUT −D VIN 1− D 反相降压/升压拓扑结构基本原理 图1给出了简化的反相降压/升压拓扑结构。它由一个电 感、两个异步的电源开关以及输入和输出电容组成。图2 IL1DC 和图3分别给出了接通时和断开时的电流流向图。接通 I OUT 1− D (1) (2) 时，初级开关(QP)导通，电流从输入端流出，给电感(L1) 电感电流还具有交流分量(ΔIL)，它通过方程式3计算，图5 充电，同时输出电容(COUT)向负载(RLOAD)提供能量。断开 是其图形表示。 时，次级开关(D S )导通，电流经电感流向负载和输出电 容。由于这是一个反相拓扑结构，因此电流从地经负载流 向VOUT，VOUT为负值。 Rev. A | Page 1 of 8 ∆IL1 VIN × D L1 × f SW (3) AN-1083 应用笔记 目录 简介.....................................................................................................1 输入电容选择 ...................................................................................5 反相降压/升压拓扑结构基本原理...............................................1 非连续工作模式...............................................................................6 修订历史 ............................................................................................2 对使能信号进行电平转换 .............................................................6 利用ADP230x的实现方法..............................................................3 结论.....................................................................................................7 二极管选择........................................................................................3 参考文献 ............................................................................................7 电感选择 ............................................................................................3 相关链接 ............................................................................................7 输出电容选择 ...................................................................................4 附录—参考设计 ...............................................................................8 修订历史 2010年8月—修订版0：初始版 Rev. A | Page 2 of 8 AN-1083 应用笔记 利用ADP230x的实现方法 二极管选择 利用ADP230x开关调节器实现反相降压/升压拓扑结构时， 二极管中的平均电流即为转换器的输出电流，因此应选择 只需对降压实现的配置稍作修改。电路重新配置主要涉及 适当大小的二极管。二极管的正向压降越低，则所获得的 两方面：一是要求IC的GND引脚和反馈电阻(RFB2)连接到 效率越高。二极管的隔直额定值应大于输入电压与输出电 负输出电压节点，而不是系统地(见图4)；二是要求降压电 压的绝对值之和。推荐使用肖特基二极管，因为它具有相 路中的电感与次级开关互换位置。 对较短的反向恢复时间和较低的正向压降。 初级开关(QP)是调节器的内部元件，而次级开关(DS)则是 选定功率二极管后，就可以利用相关正向电流时的正向压 外部元件，利用二极管实现。 降指标(Vf)修改占空比方程式，以提高计算精度。 使IC参考负输出电压后，IC所有引脚上的电压极性相对于 GND引脚均为正。必须明白，当转换器工作时，IC的VIN 与GND引脚之间的电压现在等于输入电压加上输出电压的 绝对值。根据数据手册，ADP230x的VIN与GND之间的最 大电压额定值为20V。因此，VIN与VOUT的关系必须满足方 程式4。 (4) ADP2300采用700 kHz的开关频率(fSW)，ADP2301则采用1.4 MHz的开关频率。一般而言，开关频率越低，则效率越 高，设计尺寸越大。 + 峰值电感电流等于直流分量与峰峰值电感电流纹波的一半 之和，如方程式6所示。所选电感的饱和电流应大于此 FB VIN EN L1 6 5 件。为避免过早产生电流限制，峰值电感电流不应超过 VIN + 4 值电流，该开关是用于确定是否产生电流限制的检测元 RLOAD 1.5A。考虑这一最大电感电流，反相降压/升压拓扑结构中 CIN 用于共模输入电压的ADP230x应用空间如图6所示，其中 RFB1 假设电感的峰峰值电感电流纹波为直流电感电流的40%。 1.2 MAXIMUM OUTPUT CURRENT (A) 图4.利用ADP230x实现的反相降压/升压拓扑结构 1/fSW A ∆IL1 IL1DC t VIN 0V IL1 SW 1.0 0.8 09212-005 12VIN 0.6 0.4 0.2 t –VOUT ASSUME ∆IL1 = IL1 × 0.4 0 –20 5VIN 3.3VIN –15 –10 –5 VOUT (V) 图5.理想的电流和电压波形 图 6.用于共模输入电压的近似应用空间 Rev. A | Page 3 of 8 0 09212-006 GND SW (VINmax)下计算。峰值电感电流也是内部初级电源开关的峰 COUT 09212-004 BST DS + RFB2 求，又能在小信号时保持稳定。 与输入电压成正比，因此峰值电感电流应在最大输入电压 VOUT ADP2300/ ADP2301 3 这两个元件的值还互相影响。按照方程式6至方程式14所 值。请注意，电感电流的直流分量和峰峰值电感电流纹波 CBST 2 电感和输出电容的选择对大信号和小信号都有影响，而且 设定的程序，可确保电路设计鲁棒，既能满足大信号要 20 V ≤ VIN + |VOUT| 1 电感选择 AN-1083 应用笔记 ADP230x采用经典的峰值电流模式架构，该架构提高了其 多功能性和许多方面的性能。它还需要进行斜坡补偿，以 免发生次谐波振荡。斜坡补偿是在IC内部设置，以限制任 何给定应用的电感值，如方程式7所示。选择符合该不等 如果RHPZ的频率足够低，则它将决定为确保小信号在整 式的电感可确保与电流模式控制相关的采样极点的品质因 个负载范围内保持稳定所需的最小输出电容值，如方程式 数在0.25与1.25之间，从而控制环路在整个输入电压范围都 10和方程式11所示。 能保持稳定(参见参考文献部分中Ridley所撰写的“ANew Small-Signal Model for Current-Mode Control”一文)。 其中： 对于ADP2300，x = 1.96×1010；对于ADP2301，x = 7.84 ×1010。 方程式10不是低熵形式，但可能正是因为准确计算此参数 的方程式非常复杂，才导致关于开关调节器在反相降压/升 其中：对于ADP2300，x = 1；对于ADP2301，x = 2。 压拓扑结构中工作时，保持小信号稳定需要多大电容的公 选择电感的另一个考虑是它对小信号传递函数中的右半平 面零点(RHPZ)位置的影响。如方程式8所示，电感值与 RHPZ的频率成反比，RHPZ的频率越高，则转换器的最大 可能带宽越高。 开文献非常稀少。这一方程式的推导过程是基于Erickson 和Maksimović所著《Fundamentals of Power Electronics》 (见参考文献部分)中用于电流编程控制的降压/升压拓扑结 构简单模型，并适当应用了ADP230x的内部参数。 为了确保有充足的相位裕量，输出电容、阻性负载和占空 比所导致的低频极点必须接近补偿零频率，后者是按照方 电感值还会影响峰峰值输出电压纹波，详见“输出电容选 程式12在ADP230x内部设置。 择”部分。 输出电容选择 如电流流向图所示(见图2和图3)，反相降压/升压拓扑结构 由方程式10确定的最小电容值可能大于由方程式12确定的 中的输出电流是非连续的。这就要求在接通时，随着电感 最大电容值。如果发生这种情况，则应在方程式7所设定 中储存的能量增加，输出电容向负载提供能量。在断开 的范围内降低所选电感，然后再次检查最小与最大电容目 时，电感同时向负载和输出电容提供能量。当转换器从接 标值之间的关系。这可能是一个反复试探的过程。 通切换到断开时，流经输出电容的电流极性会改变，如图 7所示。输出电容及其等效串联电阻(ESRCOUT)、电感值和 负载电流共同决定峰峰值输出电压纹波(见方程式9)。此方 输出电容的ESR会在小信号传递函数中引入一个零点。此 零点的位置不应违反以下不等式： 程式暗示意味着，输出电容的电荷损耗所引起的峰值电压 偏差与ESR上的峰值电压同时出现。这未必是真的，但它 对于低ESR电容是一个出色的预测指标，而低ESR是相关应 用空间中最常见的要求。 Rev. A | Page 4 of 8 AN-1083 应用笔记 CBST VOUT + 很高。所选电容的额定有效值电流应大于方程式14的计算 2 RFB2 3 BST SW GND VIN FB EN A COUT 6 5 VIN + 4 CIN 图 8.VIN 与VOUT 之间连有电容的反相降压/升压拓扑结构 ∆IL1 非连续工作模式 1/fSW 0A CIN2 RLOAD RFB1 IL1DC + 1 L1 + DS ADP2300/ ADP2301 结果。 09212-008 输出电流的非连续性意味着输出电容中的有效值电流可能 IL1 由于反相降压/升压拓扑结构采用单向次级电源开关(Ds)来 COUT CIN 实现，因此转换器在轻负载下可以进入DCM工作模式。在 09212-007 t DCM模式下，开关周期中存在两个电源开关均未导通的一 图 7.电感、COUT 和CIN 的理想电流波形 个期间，此期间的转换器具有完全不同的特性。如方程式 16所示，如果输出负载降低导致直流电感电流小于峰峰值 输入电容选择 与输出电流一样，反相降压/升压拓扑结构中的输入电流也 是非连续的。假设在接通时输入电容的能量损耗所引起的 输入电压偏差不大于输入电压的5%，则通过方程式15可以 计算满足保持要求的最小输入电容。此方程式假设一个高 阻抗源为开关调节器供电。此外，方程式16规定输入电容 的额定有效值要求，假设条件相同。 电感电流(ΔIL1)的一半，则转换器进入DCM模式。电路设 计中必须考虑这一工作模式，因为负载常常会处于空闲状 态，导致输出电流非常小。偶尔会将转换器按照始终工作 在DCM模式的情况进行设计。在这种转换器中，虽然电源 元件中的有效值电流可能很大，但小信号分析中不再存在 RHPZ，因此转换器的潜在带宽可达到最高。本应用笔记 不讨论设计一个覆盖整个负载范围的纯DCM转换器的程 序，但必须知道这一可能性。 对使能信号进行电平转换 ADP230x有一个EN引脚，用于使能和禁用转换器。在反相 降压/升压设计中，IC参考负输出电压，而不是地。如果抱 着禁用转换器的目的而将EN引脚接系统地，结果完全有可 虽然输入电压轨上的大多数电容都参考地，但在输入电压 与输出电压之间再放置一个输入去耦电容，可以减小输出 电压纹波并改善瞬态响应性能。要量化该电容的影响将非 常复杂，需要系统级知识并对开关调节器输入端以外的阻 抗进行分析。实践经验显示，CIN2为具有适当额定值的2.2 μF MLCC电容时，大多数的设计将获得更快瞬态响应和更 低输出电压纹波可以使大多数设计受益的好处(如图8所 能是ADP230x仍在进行开关工作。 如果需要使能功能，可以利用图9所示电路将使能信号电 平转换到负输出电压。请注意，当使用电平转换电路时， ADP230x的精确使能特性不复存在。如果不需要使能功 能，则无需进行电平转换。这种情况下，只需将EN引脚连 接到输入电压，如图4所示。 示)。如果电路特别容易受到噪声影响，则有必要在最终设 计中包括此电容。 Rev. A | Page 5 of 8 AN-1083 应用笔记 CBST + DS 3 RFB2 SW GND VIN FB EN L1 6 5 RLOAD of Power Electronics. Chapter 12, Section 3. Norwell, MA: + Ridley, Raymond. 1990. “A New Small-Signal Model for Kluwer Academic Publishers. VIN 10kΩ 4 10kΩ 10kΩ Erickson, Robert and Dragan Maksimović. 2001. Fundamentals COUT 10kΩ MMBT3906 ×2 RFB1 CIN Current-Mode Control”. Ph.D. Dissertation, Virginia Polytech- EN nic Institute and State University. 09212-009 2 BST + ADP2300/ ADP2301 1 参考文献 VOUT 相关链接 表1 图 9.用于使能输入的电平转换电路 结论 ADP230x的反相拓扑结构实现可以像降压实现一样简单、 经济、小巧。关于如何设计符合大信号要求且小信号稳定 的反相降压/升压转换器的文献相对较少，但只要遵循本应 用笔记中的设计方程式，设计人员就能实现满足上述要求 的鲁棒设计。 资源 ADP2300 描述 产品页面，1.5 A峰值开关电流、 20 V、700 kHz异步开关调节器 ADP2301 产品页面，1.5 A峰值开关电流、 20 V、1.4 MHz异步开关调节器 ADP2300/ADP2301 Buck Designer Tool 基于Excel的降压转换器设计工具 ADIsimPower 基于Web的DC-DC电压调节器设计 工具 Rev. A | Page 6 of 8 AN-1083 应用笔记 附录—参考设计 图8是对应于所有参考设计的原理图。 参考设计1：5 VIN，−12 VOUT，IOUT = 200 mA 表2. 参考设计1的材料清单 数量. 标识 1 U1 1 L1 产品型号 ADP2300 LPS4414-822 制造厂商 Analog Devices Coilcraft 值 700 kHz 8.2 µH 2 1 3 1 1 1 1 C2012X5R1C475K C3216X7R1E225K C2012X5R1C475K C0805C104K5RACTU B0530W E96 1%容差 E96 1%容差 TDK TDK TDK Kemet Diodes, Inc Vishay Vishay 4.7 µF/16 V/X5R 2.2 µF/25 V/X7R 4.7 µF/16 V/X5R 100 nF/50 V/X7R 肖特基势垒 140 kΩ 10 kΩ CIN CIN2 COUT CBST DS RFB1 RFB2 封装 6引脚TSOT 4.3 mm × 4.3 mm × 1.4 mm 0805 1206 0805 0805 SOD-123 描述 电流模式调节器 初级电源电感 MLCC/VIN至GND输入电容 MLCC/VIN至VOUT电容 MLCC/输出电容 电荷泵电容 电源开关 电阻反馈分压器 电阻反馈分压器 参考设计2：3.3 VIN，-5 VOUT，IOUT = 250 mA 表3. 参考设计2的材料清单 数量. 标识 1 U1 1 L1 产品型号 ADP2301 EPL2010-222 制造厂商 Analog Devices Coilcraft 值 1.4 MHz 2.2 µH 2 1 2 1 1 1 1 C2012X5R1C475K C2012X5R1C475K C3216X7R1C106M C0805C104K5RACTU B0530W E96 1%容差 E96 1%容差 TDK TDK TDK Kemet Diodes Inc Vishay Vishay 4.7 µF/16 V/X5R 4.7 µF/16 V/X5R 10 µF/16 V/X5R 100 nF/50 V/X7R 肖特基势垒 14.7 kΩ 2.8 kΩ CIN CIN2 COUT CBST DS RFB1 RFB2 封装 6引脚TSOT 2 mm × 1.9 mm × 1 mm 0805 0805 1206 0805 SOD-123 描述 电流模式调节器 初级电源电感 MLCC/VIN至GND输入电容 MLCC/VIN至VOUT电容 MLCC/输出电容 电荷泵电容 电源开关 电阻反馈分压器 电阻反馈分压器 参考设计3：12 VIN，-5 VOUT，IOUT = 250 mA 表4. 参考设计3的材料清单 数量. 标识 1 U1 1 L1 产品型号 ADP2300 LPS4414-822 1 1 2 1 C2012X5R1C475K C3216X7R1E225K C3216X7R1C106M C0805C104K5RACTU TDK TDK TDK Kemet B0530W E96 1%容差 E96 1%容差 Diodes, Inc Vishay Vishay 1 1 1 CIN CIN2 COUT CBST DS RFB1 RFB2 制造厂商 Analog Devices Coilcraft 值 700 kHz 8.2 µH 4.7 µF/16 V/X5R 2.2 µF/25 V/X7R 10 µF/16 V/X5R 100 nF/50 V/X7R 肖特基势垒 14.7 kΩ 2.8 kΩ Rev. A | Page 7 of 8 封装 6引脚TSOT 4.3 mm × 4.3 mm × 1.4 mm 0805 1206 1206 0805 SOD-123 描述 电流模式调节器 初级电源电感 MLCC/VIN至GND输入电容 MLCC/VIN至VOUT电容 MLCC/输出电容 电荷泵电容 电源开关 电阻反馈分压器 电阻反馈分压器 AN-1083 应用笔记 参考设计4：5 VIN，−5 VOUT，IOUT = 250 mA 表5. 参考设计4的材料清单 数量. 标识 1 U1 1 L1 产品型号 ADP2300 LPS3015-472 制造厂商 Analog Devices Coilcraft 值 700 kHz 4.7 µH 2 1 2 1 1 1 1 C2012X5R1C475K C2012X5R1C475K C3216X7R1C106M C0805C104K5RACTU B0530W E96 1%容差 E96 1%容差 TDK TDK TDK Kemet Diodes, Inc Vishay Vishay 4.7 µF/16 V/X5R 4.7 µF/16 V/X5R 10 µF/16 V/X5R 100 nF/50 V/X7R 肖特基势垒 CIN CIN2 COUT CBST DS RFB1 RFB2 14.7 kΩ 2.8 kΩ ©2010 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Trademarks and registered trademarks are the property of their respective owners. AN09212-0-9/10(A) Rev. A | Page 8 of 8 封装 6引脚TSOT 3 mm × 3 mm × 1.5 mm 0805 0805 1206 0805 SOD-123 描述 初级电源电感 MLCC/VIN至GND输入电容 MLCC/VIN至VOUT电容 MLCC/输出电容 电荷泵电容 电源开关 电阻反馈分压器 电阻反馈分压器