AN-1083: 利用开关调节器ADP2300和ADP2301设计反相降压/升压转换器 (Rev. A) PDF

AN-1083
应用笔记
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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。
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∆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
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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
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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。
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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。
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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
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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
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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
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