FP6186 2A, 23V, 1.4MHz Step-Down Converter General Description The FP6186 is a buck regulator with a built-in internal power MOSFET. It can provide 2A continuous output current over a wide input supply range with excellent load and line regulation. Current mode operation provides fast transient response and eases loop stabilization. This device includes cycle-by-cycle current limiting and thermal shutdown protection. Adjustable soft-start reduces the stress on the input source at power-on. The regulator only consumes 25μA supply current in shutdown mode. The FP6186 requires a minimum number of readily available external components to complete a 2A buck regulator solution. Features 2A Output Current Adjustable Soft-Start 0.2Ω Internal High Side Power MOSFET Switch Stable with Low ESR Output Ceramic Capacitors Up to 90% Efficiency 25μA Shutdown Mode Current Fixed 1.4MHz Frequency Thermal Shutdown Cycle-by-Cycle Over Current Protection Wide 4.75 to 23V Operating Input Range Output Adjustable From 0.92 to 16V Available MSOP-10L (EP) & SOP-8L (EP) Package Under Voltage Lockout Applications Distributed Power Systems Battery Charger Pre-Regulator for Linear Regulators DSL Modems Typical Application Circuit VOUT 1 VIN 12V 2 BS SS IN EN FP6186 3 4 SW GND COMP FB 8 7 EN 6 5 This datasheet contains new product information. Feeling Technology reserves the rights to modify the product specification without notice. No liability is assumed as a result of the use of this product. No rights under any patent accompany the sales of the product. Rev. 0.62 Website: http://www.feeling-tech.com.tw 1/17 FP6186 Function Block Diagram This datasheet contains new product information. Feeling Technology reserves the rights to modify the product specification without notice. No liability is assumed as a result of the use of this product. No rights under any patent accompany the sales of the product. Website: http://www.feeling-tech.com.tw Rev. 0.62 2/17 FP6186 Pin Descriptions SOP-8L (EP) Name No. I / O BS 1 Description O Bootstrap IN 2 P Supply Voltage SW 3 O Switch GND 4 P IC Ground FB 5 I Error Amplifier Compensation Output COMP 6 O Compensation EN 7 I Enable / UVLO SS 8 O EP 9 P Programmable Soft Start Exposed PAD - Must connect to Ground MSOP-10L (EP) Name No. I / O NC 1 BS 2 NC 3 Description No Connect O Bootstrap No Connect IN 4 P Supply Voltage SW 5 O Switch GND 6 P IC Ground FB 7 I Error Amplifier Compensation Output COMP 8 O Compensation EN 9 I Enable / UVLO SS 10 O EP 11 P Programmable Soft Start Exposed PAD - Must connect to Ground This datasheet contains new product information. Feeling Technology reserves the rights to modify the product specification without notice. No liability is assumed as a result of the use of this product. No rights under any patent accompany the sales of the product. Website: http://www.feeling-tech.com.tw Rev. 0.62 3/17 FP6186 Marking Information SOP-8L (EP) FP6186 Halogen Free Lot Number Internal ID Per-Half Month Year MSOP-10L (EP) Halogen Free: Halogen free product indicator Lot Number: Wafer lot number’s last two digits For Example: 132386TB 86 Internal ID: Internal Identification Code Per-Half Month: Production period indicated in half month time unit For Example: January → A (Front Half Month), B (Last Half Month) February → C (Front Half Month), D (Last Half Month) Year: Production year’s last digit This datasheet contains new product information. Feeling Technology reserves the rights to modify the product specification without notice. No liability is assumed as a result of the use of this product. No rights under any patent accompany the sales of the product. Website: http://www.feeling-tech.com.tw Rev. 0.62 4/17 FP6186 Ordering Information Operating Temperature Package MOQ Description FP6186gR-G1 Part Number -40°C ~ +85°C MSOP-10L (EP) 3000EA Tape & Reel FP6186XR-G1 -40°C ~ +85°C SOP-8L (EP) 2500EA Tape & Reel Absolute Maximum Ratings Parameter Supply Voltage Symbol Conditions VIN Min. Typ. Max. Unit -0.3 24 V Supply Voltage Vsw -1 VIN +0.3 V Bootstrap Voltage VBS Vsw -0.3 Vsw +6 V -0.3 6 V +150 °C +150 ℃ SOP-8L (EP) +60 ℃/W MSOP-10L (EP) +105 ℃/W SOP-8L (EP) +10 ℃/W MSOP-10L (EP) +19 ℃/W +85 ℃ +260 ℃ All Other Pins Junction Temperature TJ Storage Temperature TS θJA Thermal Resistance θJC -65 Operating temperature -40 Lead Temperature (soldering, 10 sec) Suggested IR Re-flow Soldering Curve This datasheet contains new product information. Feeling Technology reserves the rights to modify the product specification without notice. No liability is assumed as a result of the use of this product. No rights under any patent accompany the sales of the product. Website: http://www.feeling-tech.com.tw Rev. 0.62 5/17 FP6186 Recommended Operating Conditions Parameter Supply Voltage Symbol Conditions VIN Operating Temperature Min. Typ. Max. Unit 4.75 23 V -40 85 °C DC Electrical Characteristics (VIN=12V, TA= 25°C, unless otherwise noted) Parameter Symbol Test Conditions Min. Typ. Max. Unit Standby Current ISB VEN≧3V, VFB≧1.0V 1.0 mA Shutdown Supply Current IST VEN=0 25 µA Feedback Voltage Current Sense Trans-conductance Output Current to Comp Pin Voltage Error Amplifier Voltage Gain VFB VCOMP<2V GCS 2.1 A/V AEA 400 V/V Error Amplifier Trans-conductance GEA 930 µA / V 0.90 △IC=±10µA 0.92 0.94 V High Side Switch ON Resistance RON-HS 0.2 Ω Low Side Switch ON Resistance RON-LS 10 Ω High Side Switch Leakage Current IIL Current Limit ICL MHz VFB=0V 210 KHz DMAX VFB=0.8V 75 % TON VFB=1.5V VUVLO VEN Rising fSC Under Voltage Lockout Threshold Under Voltage Lockout Threshold Hysteresis µA 1.4 Short Circuit Oscillation Frequency 2.8 10 A fOSC Minimum On Time 0.1 3.5 Oscillation Frequency Maximum Duty Cycle VEN=0, VSW=0V 100 2.37 VHYS 2.50 ns 2.62 210 1.0 mV EN Threshold Voltage VEN ICC>100µA Enable Pull Up Current Soft-Start Pin Equivalent Output Resistance IEN VEN=0V 1.0 µA RSS VSS=0V 9 KΩ TTS +150 °C THYS +40 °C Thermal Shutdown Thermal Shutdown Reset Hysteresis 0.7 V 1.3 V This datasheet contains new product information. 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Website: http://www.feeling-tech.com.tw Rev. 0.62 7/17 FP6186 85 Efficiency (%) 80 75 70 65 60 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 Load (A) Figure 8 Efficiency (VOUT=3.3V) Figure 7: SCP This datasheet contains new product information. Feeling Technology reserves the rights to modify the product specification without notice. No liability is assumed as a result of the use of this product. No rights under any patent accompany the sales of the product. Website: http://www.feeling-tech.com.tw Rev. 0.62 8/17 FP6186 Function Description The FP6186 is a current-mode buck regulator. It regulates input voltages from 4.75V to 23V down to an output voltage as low as 0.92V with maximum 2A load current. The FP6186 uses current-mode control to regulate the output voltage. The output voltage is measured at FB pin through a resistive voltage divider and amplified by the internal error amplifier. The output current of the trans-conductance error amplifier is presented at COMP pin where a network compensates the regulation control system. The voltage at COMP is compared to the switch current measured internally to control the output voltage. The converter uses an internal n-channel MOSFET switch to step-down the input voltage to the regulated output voltage. Since the n-channel MOSFET requires a gate voltage greater than the input voltage, a boost capacitor connected between SW and BS drives the MOS gate. The capacitor is internally charged while the MOS switch is off. Another internal built-in 10Ω switch from SW to GND is used to insure that SW is pulled to GND when the switch is off to fully charge the BS pin capacitor. Output Voltage (VOUT) The output voltage is set using a resistive voltage divider from the output voltage to FB. The voltage divider divides the output voltage down by the ratio: VFB VOUT R4 R2 R4 Thus the output voltage is: VOUT VFB R2 R4 R4 A typical value for R4 can be as high as 100k, but a typical value is 10K. Enable Mode / Shutdown Mode Drive EN Pin to ground to shut down the FP6186. Shutdown mode forces the internal power MOSFET off, turns off all internal circuitry, and reduces the VIN supply current to 25μA (typ.). The EN Pin rising threshold is 1.0V (typ.). Before any operation begins, the voltage at EN pin must exceed 1.0V (typ.). The EN pin input has 100mV hysteresis. Boost High-Side Gate Drive (BST) Since the MOSFET requires a gate voltage greater than the input voltage, user should connect a flying bootstrap capacitor between SW and BS pin to provide the gate-drive voltage to the high-side n-channel MOSFET switch. The capacitor is charged by the internally regulator periodically when SW This datasheet contains new product information. 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When the IC junction temperature exceeds +150°C, an internal thermal sensor signals the shutdown logic to turn off the internal power MOSFET and allow the IC cooling down. The thermal sensor turns the internal power MOSFET back on after the IC junction temperature cools down to + 110°C, resulting in a pulsed output under continuous thermal overload conditions. This datasheet contains new product information. Feeling Technology reserves the rights to modify the product specification without notice. No liability is assumed as a result of the use of this product. No rights under any patent accompany the sales of the product. Website: http://www.feeling-tech.com.tw Rev. 0.62 10/17 FP6186 Application Information Input Capacitor Selection The input current to the step-down converter is discontinuous, therefore a capacitor is required to supply the AC current to the step-down converter while maintaining the DC input voltage. Use low ESR capacitors for the best performance. Ceramic capacitors are preferred, but tantalum or low-ESR electrolytic capacitors may also suffice. The input capacitor can be electrolytic, tantalum or ceramic. When electrolytic or tantalum capacitors are used, a small, high quality 0.1μF ceramic capacitor should be placed beside the IC as possible. When using ceramic capacitors, make sure that they have enough capacitance to provide sufficient charge to prevent excessive voltage ripple at converter input. The input voltage ripple can be estimated by C IN IO D(1 D) f VIN Inductor Selection The inductor is required to supply constant current to the output load while being driven by the switched input voltage. A larger value inductor will result in less ripple current that will result in lower output ripple voltage. However, the larger value inductor will have a larger physical size, higher series resistance, and/or lower saturation current. A good rule for determining the inductance to use is to allow the peak-to-peak ripple current in the inductor to be approximately 30% of the maximum switch current. Also, make sure that the peak inductor current is below the maximum switch current limit. The inductance value can be calculated by L VO VD (1 D) IO f Where r is the ripple current ratio RMS current in inductor ILrms IO 1 2 12 Output Capacitor Selection The output capacitor is required to maintain the DC output voltage. Ceramic, tantalum, or low ESR electrolytic capacitors are recommended. Low ESR capacitors are preferred to keep the output voltage ripple low. The output voltage ripple can be estimated by: This datasheet contains new product information. Feeling Technology reserves the rights to modify the product specification without notice. No liability is assumed as a result of the use of this product. No rights under any patent accompany the sales of the product. Website: http://www.feeling-tech.com.tw Rev. 0.62 11/17 FP6186 VOUT VOUT VIN VOUT 1 ESR f L VIN 8 f C OUT In the case of ceramic capacitors, the output ripple is dominated by the capacitance value because of its low ESR. In the case of tantalum or electrolytic capacitors, the capacitor high ESR dominates the output ripple. Followings are equations for determining appropriate capacitor parameters. Ⅰ. Ceramic capacitors: choose capacitance value C OUT VOUT 2 8 f L VOUT V 1 OUT VIN Ⅱ. Tantalum or electrolytic capacitors: choose capacitor with ESR value ESR VOUT f L VIN VOUT VIN VOUT PC Board Layout Checklist 1. The power traces, consisting of the GND, SW and VIN traces, should be kept short, direct and wide. 2. Place CIN near IN pin as closely as possible to maintain input voltage steady and filter out the pulsing input current. 3. The resistive divider R2 and R4 must be connected directly to FB pin as closely as possible. 4. FB is a sensitive node. Please keep it away from switching node SW. A good approach is to route the feedback trace on another layer and have a ground plane between the top and feedback trace routing layer. This reduces EMI radiation on to the DC-DC converter’s own voltage feedback trace. This datasheet contains new product information. Feeling Technology reserves the rights to modify the product specification without notice. No liability is assumed as a result of the use of this product. No rights under any patent accompany the sales of the product. Website: http://www.feeling-tech.com.tw Rev. 0.62 12/17 FP6186 SOP-8L (EP) MSOP-10L (EP) Suggested Layout This datasheet contains new product information. Feeling Technology reserves the rights to modify the product specification without notice. No liability is assumed as a result of the use of this product. No rights under any patent accompany the sales of the product. Website: http://www.feeling-tech.com.tw Rev. 0.62 13/17 FP6186 Typical Application SOP-8L (EP) MSOP-10L (EP) This datasheet contains new product information. Feeling Technology reserves the rights to modify the product specification without notice. No liability is assumed as a result of the use of this product. No rights under any patent accompany the sales of the product. Website: http://www.feeling-tech.com.tw Rev. 0.62 14/17 FP6186 Package Outline SOP-8L (EP) Unit: mm Symbols Min. (mm) Max. (mm) A 1.346 1.752 A1 0.050 0.152 A2 1.498 D 4.800 4.978 E 3.810 3.987 H 5.791 6.197 L 0.406 1.270 θ° 0° 8° Exposed PAD Dimensions: Symbols Min. (mm) Max. (mm) E1 2.184 REF D1 2.971 REF Note: 1. Package dimensions are in compliance with JEDEC outline: MS-012AA. 2. Dimension ”D” does not include molding flash, protrusions or gate burrs. 3. Dimension “E” does not include inter-lead flash or protrusions. This datasheet contains new product information. Feeling Technology reserves the rights to modify the product specification without notice. No liability is assumed as a result of the use of this product. No rights under any patent accompany the sales of the product. Website: http://www.feeling-tech.com.tw Rev. 0.62 15/17 FP6186 MSOP-10L (EP) Unit: mm Symbols Min. (mm) Max. (mm) A 0.750 1.100 A1 0.000 0.150 A2 0.750 0.950 b 0.170 0.270 c 0.080 0.230 D 3.000 BSC. E 4.900 BSC. E1 3.000 BSC. e 0.500 BSC. L 0.400 L1 θ° 0.800 0.950 REF. 0° 8° This datasheet contains new product information. Feeling Technology reserves the rights to modify the product specification without notice. No liability is assumed as a result of the use of this product. No rights under any patent accompany the sales of the product. Website: http://www.feeling-tech.com.tw Rev. 0.62 16/17 FP6186 MSOP-10L (EP) continued Exposed PAD Dimensions: Symbols Min. (mm) Max. (mm) E2 1.715 REF D1 1.600 REF Note: 1. Package dimensions are in compliance with JEDEC outline: MO-187 BA-T. 2. Dimension “D” does not include molding flash, protrusions or gate burrs. 3. Dimension “E1” does not include inter-lead flash or protrusions. This datasheet contains new product information. Feeling Technology reserves the rights to modify the product specification without notice. No liability is assumed as a result of the use of this product. No rights under any patent accompany the sales of the product. Website: http://www.feeling-tech.com.tw Rev. 0.62 17/17 Technology , Corp. 文件名稱 文件編號 FP6186 設計指導手冊 PW-AN0040 版別 A0 目錄 二、基本特性 ........................................................................................................................................... 2 1、基本規格 .................................................................................................................................... 2 2、接腳配置 .................................................................................................................................... 2 3、接腳描述 .................................................................................................................................... 2 三、內部方塊圖 ....................................................................................................................................... 3 四、設計限制 ........................................................................................................................................... 4 五、功能說明與公式計算 ......................................................................................................................... 5 1、分壓回授網路............................................................................................................................. 5 2、過電流保護 ................................................................................................................................ 5 3、開關功能 .................................................................................................................................... 6 4、軟起動........................................................................................................................................ 6 六、系統應用 ........................................................................................................................................... 7 1、Regulator 規格........................................................................................................................... 7 2、基本參數 .................................................................................................................................... 7 3、電感及輸出入電容...................................................................................................................... 8 a、電感................................................................................................................................... 9 b、輸入電容 ..........................................................................................................................11 c、輸出電容...........................................................................................................................11 4、IC 功能設定 ............................................................................................................................. 12 5、補償網路 .................................................................................................................................. 13 6、應用電路圖：........................................................................................................................... 16 七、PCB Layout Guide.......................................................................................................................... 17 1、Layout Guide ........................................................................................................................... 17 2、FP6186 Demo Board PCB 佈局 .............................................................................................. 18 八、量測 ................................................................................................................................................ 19 1、數值記錄 .................................................................................................................................. 19 2、波形記錄 .................................................................................................................................. 20 3、FP6186 Demo BOARD 零件表(BOM)..................................................................................... 22 九、熱處理............................................................................................................................................. 23 1、IC 消耗功率 ............................................................................................................................. 23 2、IC 熱阻系數 ............................................................................................................................. 24 -0- Technology , Corp. 文件名稱 文件編號 FP6186 設計指導手冊 PW-AN0040 版別 A0 一、前言 FP6186 IC 是遠翔科技的電源 IC，IC 設計採用電流控制模式的脈波調變 (Pulse Width Modulation)技術，IC 內含 MOS FET，我們在系統電源設計上 主要是做成降壓轉換器型式(Buck Converter Circuits)輸出。 IC 基本特性如下： 1、內含 MOS FET 2、輸出可用 MLCC 電容 3、過溫保護機制 4、Cycle-by-Cycle 過電流保護 5、寬輸入電壓範圍 6、輸出電壓可調. 圖 1. Buck Regulator Circuit -1- Technology , Corp. 文件名稱 文件編號 FP6186 設計指導手冊 PW-AN0040 版別 A0 二、基本特性 1、基本規格 SCP 輸入電壓(V) 輸出電壓(V) 頻率 型號 Current Shutdown Max 頻率 (KHz) 最小 最大 最小 最大 FP6186 4.75 23 0.92 Limit Duty 210 (A) 2 (µA) 3.5 (%) 23 90 Soft Vref Start (V) ON (A) (KHz) 16 1400 Current R On(Ω) Min 負載 High Low Shutdown (nS) 100 Vref Side Side 0.92 0.2 2、接腳配置 接腳配置 FP6186(Exposed Pad) FP6186(Exposed Pad) 3、接腳描述 Pin Name Description BS 提供 MOS 閘極(G)電壓，接一電容約 10nF 對 SW。 IN 電源輸入端。 SW High Side MOS 源極(S)，Low Side MOS 汲極(D)輸 出。 GND IC 接地端。 FB 電壓迴授輸入端，用於接在輸出電壓的回授分壓電阻 上，並得到參考電壓與輸出電壓的電阻關係式。 COMP 誤差放大器的輸出端，接補償回路。 EN 開關控制腳，空接(high)為開，接地為關。 SS 軟起動設定 NC NC -2- Thermal 10 (℃) 150 Technology , Corp. 文件名稱 文件編號 FP6186 設計指導手冊 PW-AN0040 三、內部方塊圖 FP6186 由不同特性之元件所構成，簡單分為下面數個部分： 1、輸出驅動級 2、參考電壓源產生及開關 3、切換控制 4、電流感測及斜率補償 5、振盪產生電路及 PWM 比較器 圖 2. FP6186 內部方塊圖 -3- 版別 A0 Technology , Corp. 文件名稱 文件編號 FP6186 設計指導手冊 PW-AN0040 版別 A0 四、設計限制 設計限制在於根據 IC 規格書及特性給予使用上的規格限制，其目的在告訴設 計者如何能設計在 IC 使用上安全的範圍內，一般設計者對於規格上的盲點可 在此得到初步澄清。 1、工作電壓 IC 本身有限制最低及最高工作電壓，依規格書工作電壓至少為 4.75V 以 上，23V 以下為安全值。在低壓 6V 以下時因 MOS 的 Vgs 較低，使導通 效率降低，使得溫度上升，較不利於使用在高溫環境。 2、最大工作週期 最大工作週期為 90%，所以輸入電壓應為輸出電壓的 1.1 倍以上。 3、開關控制(EN) EN PIN 內建 Pull high，所以空接即為 ON，接地即為 OFF，此接腳外接 電壓不可超過 5V。 4、高 Duty 設計 FP6186 雖然可以設定為高 Duty 的轉壓設計，但是在實際上這樣的設計 對 FP6186 是不利的，其主要原因有二，第一、興獨立的 MOS FET 比 起來，FP6186 的 RON 值是較大的，所以會產生的 Power Loss 也會比較 大， P = I O * RON * Duty 在 RON 興 Duty 都大的情況下，Power Loss 會比 2 較大，第二、因 Slop Compensation 的關系，在高 Duty 時 Current Limit 也會比較低，所以設計上電感也要比較大才能必免電感電流 PMAX 頂到 Current Limit，所以對於高 Duty 的方案我們也有 FP610X 系列 IC 可以 使用，FP610X 系列 IC 比 FP6186 更適合使用在高 Duty 的條件下。 (FP610X 系列 IC 頻率較低) 以上，為挑選 FP6186 做為 PWM 電源設計前需要先做的評估與考量。 -4- Technology , Corp. 文件名稱 文件編號 FP6186 設計指導手冊 PW-AN0040 版別 A0 五、功能說明與公式計算 1、分壓回授網路 輸出電壓設定的公式如下 Vout FP6186 R2 Vout = 1 + ∗ Vref R4 輸出電壓經由 R2、R4 分壓後的電壓 VFB 興 Vref 做比較，IC 會把輸出電壓 控制在 VFB=Vref。 R2 Comp 6 IN+ Error AMP IN- Vref FB 5 VFB R4 由右圖，我們可以看出，當 VFB 電壓 低於 Vref 時，Comp 電壓會拉高，當 VFB 電壓高於 Vref 時 Comp 電壓會拉低，IC 內部由 Comp 的電壓決定 Duty 的大小，來完成轉壓的控制。(COMP 電壓越低，Duty 越小) 我們曾看過有人在 R2 旁並上 RC，這樣的做法會影響到回授轉移函數，使補 償不正確，所以要做這樣的修改，應該要重新計算補償。 2、過電流保護 FP6186 為 cycle-by-cycle 的電流控制，所以當電感電流達到限電流值時， Duty 會因限流而被關閉，使得輸出電流被限在限電流值以下，這樣就能達成 過電流保護的功能。 型號 FP6186 Current Limit(A) 3.5 COMP cycle-by-cycle 的保護原理是由 current sense 與 comp 比較來決定 duty 的寬度， 所以在 turn on 的期間電流的大小被 comp 限制了。 Current Sense SW 右上圖為 comp 與 current sense 關系圖，偵測到的電流值轉換成電壓後興 Comp 電壓做比較，當電流值的電壓大於 Comp 的電壓時，Duty 就會被強制 關閉。 -5- Technology , Corp. 文件名稱 文件編號 FP6186 設計指導手冊 PW-AN0040 版別 A0 3、開關功能 EN PIN IC Mode High ON Low OFF 開關控制關系表 當 IC OFF 時耗電量為 25μA 以下。EN PIN 內建 1μA(typ)的 Pull high 電流，所 以空接時 IC 有能力自行開啟，亦可外接 電壓控制，但此電壓不可超過 5V。 4、軟起動 軟起動的作用在於避免開機時產生過高的 Overshoot 電壓，造成後端系統 IC 的損 毀，FP6186 軟起動原理為控制參考電壓，讓參考電壓慢慢上升，來達到輸出電壓 不會有 Overshoot 的現象。 軟起動時間固定為 45k*Css。 -6- Technology , Corp. 文件名稱 文件編號 FP6186 設計指導手冊 PW-AN0040 版別 A0 六、系統應用 以上單簡的介紹了 FP6186 的基本特性及功能，現在我們舉個例子來引導大家設 計一組 Buck Regulator，在過程中我們會說明一些 IC 特性上應該注意的事項。 1、Regulator 規格 設計者必須先決定所要設計的降壓規格，可參考如下簡表： 規格值 輸入電壓 12VDC 輸出電壓 3.3VDC 全載轉換效率 >80% (2A 輸出) 負載變動率 30mV 線電壓變動率 30mV 輸出漣波 40mVP-P (2A 輸出) 上列表中，負載變動率及線電壓變動率，主要由 IC 所以決定，並會受到 PCB Layout 好壞的影響。 輸出漣波則是由電路設計來決定，影響的因素有切換頻率、電感感量及輸出 電容的容量及 ESR，其中切換頻率已經固定，所以設計者只能由感量及輸出 電容來改變輸出漣波的大小。 2、基本參數 在開始設計前，我們先計算幾個必備的基本參數 a、Duty cycle 其計算公式如下 VO + VD D= V IN − VSW + VD VO 為輸出電壓、 VD 為蕭特基二極體導通電壓、 VIN 為輸入電壓、 VSW 為 MOS 導通電壓。 -7- Technology , Corp. 文件名稱 文件編號 FP6186 設計指導手冊 PW-AN0040 版別 A0 VD 電壓我們可以參考其 SPEC，此電壓會隨電 流改變，右圖為 SK34 SPEC 內所標示的參考 圖，我們可以看到在電 流為 2A 時，Forward Voltage 大約 0.4V，因 此，我們的 VD 即為 0.4V。 VSW 則等於 High Side MOS 的 RON * I O ，而 FP6186 的 RON 為 0.2Ω，因 此 VSW 為 0.4V。 型號 FP6186 High Side 0.2 Low Side 10 R On(Ω) 因此我們可以求得 Duty=30.83% V 理想條件下 D = OUT = 27.5% V IN b、電感電流漣波 γ ，其計算公式如下 γ = VO + VD (1 − D) I O Lf 此值通常我們不會去計算，因為我們都會把 γ 設定在 0.3~0.6 之間，來求 得所需的電感量。 3、電感及輸出入電容 以往在 Voltage-mode 時，電感及輸出電容會影響到整個網路的補償及頻寬 等，但在 Current-mode 之下，電感對補償的影響不在那麼直接了，雖然如 此，我們還是需要選擇適當的電感，因為電感還是會影響到輸出漣波等，輸 出電容的部分，還是一樣是補償回路的一個重要的因素，所以在選好輸出電 容後不要隨意改變。 -8- Technology , Corp. 文件名稱 文件編號 FP6186 設計指導手冊 PW-AN0040 版別 A0 a、電感 其計算公式如下 V + VD L= O (1 − D) I O γf 3 .3 + 0 .4 (1 − 0.3083) 2 * 0.3 * 1400 K L=3.04μH，而把 γ 定為 0.6 時，L=1.52μH，因為 FP6186 在起動時，是 我們把 γ 定為 0.3 可求得 L = 除頻起動，所以我們在選用電感我們就必需注意到重載起動的問題，下表 為 IC 規格差異表。 型號 FP6186 參考電壓(V) 0.92 頻率 (KHz) 1400 除頻電壓(V) 0.4 除頻頻率(KHz) 210 我們說明一下，正常的參考電壓為 0.92V，當 VFB 電壓低於 0.4V 時，頻率 為 21KHz，高於 0.4V 時，頻率為正常頻率 1400KHz。 所以當起動時，Vout 為 0V 所以 VFB 為 0V，這時的頻率為 210KHz，以上 雖然看起來沒什問題，但是加上 Current Limit 的功能之後，若電感量不夠 的話，若負載是一個固定電流性的負載，就會發生重載無法起動的現象(若 後端的負載是電阻性的話，則不會有重載起動的問題)。因此我們選定電感 量的時候，我們還要考慮一下是否會發生重載無法起動的問題。 在計算重載起動需求的電感量之前，我們先說明一下 Current Limit 的特 性，在 Current mode 的 IC 裡，為了穩定必需要有 Slop Compensation， 而 Slop Compensation 會讓 Current Limit 變成非定值，也就是 Duty 越大 Current Limit 會越小，為了方便計算，我們把 Current Limit 視為定值，所 以算出來的電感量會比實際需求的略小，這是要特別注意的。 型號 FP6186 Current Limit(A) 3.5 -9- Technology , Corp. 上表為 Current Limit 對照表，右圖為 Slop Compensation 的對照 圖。 文件名稱 文件編號 FP6186 設計指導手冊 PW-AN0040 版別 A0 Current Limit 3.5 2.2 0 計算方法如下 我們已知 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Duty 1、限電流為 3.5A。 2、FB 需高於 0.4V 才進入正常頻率。 3、負載為 2A，所以 IL max 為 3.5A，IL min 為 0.5A。 4、除頻時 t = 1 f SCP = 1 = 4.76 µS 。 210k 5、我們使用理想條件計算。 所以我們以分壓電阻可算出，輸出電壓需高於 1.43V 才能進入正常頻率。 電感電流 i L (t ) = i L (0) + 1 (V I − VO )t L 當 t = t ON = DTS 時 1 (VI − VO ) DTs L 1 1.43 3.5 = 0.5 + (12 − 1.43) 4.76µ L 12 L = 2.56µ i L ( DTS ) = i L (0) + 我們可算出電感需要 2.56μH 以上，因為我們沒有將原件非理想的特性計 算進去，所以真正需要的值會比計算出來的還要大。 - 10 - Technology , Corp. 文件名稱 文件編號 FP6186 設計指導手冊 PW-AN0040 版別 A0 因此我們可以看得出來，當我們 γ 定為 0.6 把 L 選用 1.52μH 時，當重載開 機時會發生起動不良的現象，所以我們電感要選用 2.56μH 以上才可以。 所以我們選用手邊現有 SMD 4.7μH(47mΩ)的電感。 電感的耐電流規格的選擇，在 Buck 的轉換器裡，電感的電流平均值就等於 γ2 ，所以 γ 越小越接近輸出電流，所以 12 我們選用電流時必需選用耐電流大於輸出電流的電感，另外還有一點要考 慮的，就是除頻起動時的電流，因頻率低，所以 γ 會變很大，電流的峰值 輸出電流，而 RMS 值等於 I O 1 + 也會很大(最大為 Current Limit)，所以當起動時電感通過大電流，若規格不 夠電感會有磁飽和的現象，造成電感效率下降，有可能會造成起動不良。 FP6186 為高頻 IC 在電感的選擇時要注意鐵心的材質，應選擇適合高頻的 鐵心。 b、輸入電容 輸入電容因為不影響補償，所以我們對輸入電容的要求較少，第一、盡可 能使用 Low ESR 的電容，可獲得較好的效果，第二、足夠的電容值，其計 算公式如下 IO C IN = * D(1 − D) f * ∆VIN 其中 ∆V IN 為使用者自行設定 我們計算我們所需的輸入電容為 2 * 0.3083 * 0.6917 = 6.09μ 1400k * 50m 所以我們選一個 100μF 的 Low ESR 的電解電容。 另外我們輸入電容選擇 ceramic 時要特別注意，因為 ceramic 電容會興輸 入導線的電感性產生振盪，造成高壓突波，此突波高於 IC 的耐壓過多時會 造成 IC 損毀。 c、輸出電容 輸出的容值會影響到頻寬及補償，而 ESR 則會影響到輸出電壓漣波和補 償，因此選一個適合的電容是非常重要的。 - 11 - Technology , Corp. 文件名稱 文件編號 FP6186 設計指導手冊 PW-AN0040 版別 A0 在選擇輸出電容時，主要分兩個狀況，一、使用 ceramic 電容，此種電容 特性上 ESR 都很小，但容量不易做大，因此選用時以容量足不足夠為主要 考量。二、選用 tantalum 或電解，這種電容容量大，但 ESR 做小確比較 困難，因此計算時會以 ESR 為主要考量。我們也可以混合使用，只是在計 算補償時 C OUT 為總和容量，ESR 為並聯的結果。 電容選用的計算公式如下 Ⅰ、ceramic 電容 C OUT = V VOUT * 1 − OUT VIN 8 * f * L * ∆VOUT 2 Ⅱ、tantalum 或電解電容 ∆VOUT * f * L * VIN ESR = VOUT * (VIN − VOUT ) 以上為選用電容的主要考量，但是我們不能選用一個 ESR 夠低但容值確不 夠的電解電容，因此我們還需要一個完整的公式，讓大家知道選用的電容 規格是否可以，其公式如下 ∆VOUT = VOUT * (VIN − VOUT ) 1 * ESR + f * L * VIN 8 * f * C OUT 把我們選用的電容規格帶入上列公式，看 ∆VOUT 是否符合我們的期望。 另外，輸出電容越大頻寬越低，輸出電容越小頻寬越大，所以過大的輸出 電容並不是件好事。 我們選一個 100μF、ESR=38mΩ(1KHz)、9.6mΩ(100KHz)的固態電容來 使用。 4、IC 功能設定 a、設定 BS 電容 此電容為提供 High Side MOS 的 Vgs 電壓用，只要接一個 10nF 電容對 SW 即可。 b、分壓回授 依照之前我們說過的計算方法，我們求得 R2=16K、R4=6.2K。 在 SPEC 上有提到 R4 最高可到 100K，但是我們建議在 10K 左右。 c、Soft-start 我們選用 22nF 作為 SS 電容。 - 12 - Technology , Corp. 文件名稱 文件編號 FP6186 設計指導手冊 PW-AN0040 版別 A0 5、補償網路 因為 Current mode 的系統響應近似一階，所以在補償方面變得非常好補，而 系統上會產生三個極點及二個零點，分別為 TEA f P1 = 此極點由補償元件產生。 2π * C10 * G EA f P2 = 1 2π * C OUT * R Load 此極點由系統產生，與負載及輸出電容有關。 f P3 = 1 此極點由補償元件產生。 2π * C 9 * R3 f Z1 = 1 此零點由補償元件產生。 2π * C10 * R3 1 = 此零點由系統產生，與輸出電容及 ESR 有關。 2π * C OUT * R ESR f ZESR TEA 為Error amplifier transconductance。 G EA 為Error amplifier voltage gain。 系統DC Gain為 AVDC = RLoad * TCS * G EA * VFB VOUT TCS 為Current sense transconductance。 各參數對照表 型號 FP6186 GEA TEA TCS 400 930 2.1 補償設定只要把上述的極零點分配到適當的位置即可，至於該如何分配，已 經有簡單的步驟，只要照著做即可。 a、決定頻寬並求 R3 計算公式如下 2π * C OUT * f C VOUT R3 = * TEA * TCS VFB - 13 - Technology , Corp. 文件名稱 文件編號 FP6186 設計指導手冊 PW-AN0040 版別 A0 其中 f C 為 crossover 頻率，就是頻寬。 1 1 ~ 的 f S ，若是輸出電容量太大，也可以 10 4 設得更小，而 R3 的值應該要在數 KΩ 到數十 KΩ。 在這個例子裡，我們把 f C 設為 40KHz，求得的 R3 為 46.16KΩ，我們選用 通常大部分的人會把 f C 設定在 47kΩ 的電阻。 b、求 C10 計算式如下 4 C10 > 2π * R3 * f C 帶入後求得 C10>338pF 所以我們選用 1500pF 在設計上我們不希望把 C10 設計的太小，因為 C10 太小會受到板子上的寄 生電容影響，造成補償誤差太大。 c、判斷是否對輸出電容做補償 判斷方法如下列公式 1 2π * C OUT * R ESR < fS 2 若符合我們就必需對輸出電容做補償，把 C9 接上，C9 的計算方法如下列 公式 C OUT * R ESR R3 若是不符合，我們也可以把 C9 空接，或是把 C9 接上也可以，這樣可以增 C9 = 加高頻雜訊濾除的能力，只是 C9 的容值就需要特別注意，把選定的容值帶 入 f P 3 ，其頻率不能低於 f C ，否則 crossover 的斜率會變成-2，系統會不穩 定。 在我們的例子，輸出電容在 100KHz 時 ESR 只有 9.6mΩ，所以 C9 需要一 個 20pF 的電容，我們選用一個 33pF 的電容接上去，其帶入 f P 3 後 f P 3 =102.6KHz，比 f C =40KHz 還高。 在這裡我們可以看到固態電容在各頻率的響應不一樣，高頻時 ESR 會變得 極低。 - 14 - Technology , Corp. 文件名稱 文件編號 FP6186 設計指導手冊 PW-AN0040 版別 A0 有了補償值後，我們就可以把補償值帶入之前各個極零點的式子，求出波 德圖，計算過程我們就不多述，下圖為波德圖。 180.0 60.0 135.0 40.0 90.0 20.0 45.0 0.0 0.0 Phase (Deg) Gain (dB) Bode Plot 80.0 -20.0 -45.0 -40.0 -90.0 -60.0 -135.0 -80.0 10 100 1,000 10,000 Frequency (Hz) - 15 - 100,000 1,000,000 -180.0 10,000,000 Technology , Corp. 文件名稱 文件編號 FP6186 設計指導手冊 PW-AN0040 版別 A0 6、應用電路圖： L1 4.7uH Vout 1 IC1 C1 0.01uF C11 1 BS SS 0.022uF R2 16k 8 Vin 2 1 IN EN 7 C3 100uF C2 0.1uF FP6186 C4 100uF VinG C8 0.1uF 3 D1 SM340A 4 SW GND Comp FB 1 6 R3 47K 5 R4 6.2k C9 33pF C10 1500pF VoutG 1 FP6186 使用於 Buck Converter 電路圖 到此，我們就完成整個電路的設計，在電路圖中，我們還加入了 C2、C8 的 高頻旁路電路，來濾除高頻雜訊。 - 16 - Technology , Corp. 文件名稱 文件編號 FP6186 設計指導手冊 PW-AN0040 版別 A0 七、PCB Layout Guide 1、Layout Guide L Vin SW Vout FP6186 Cout Cin Schottky Cout SW FP6186 FB Gnd Gnd Figure2 Figure1 此零件擺放根據前述電路圖進行之，做法基本參考幾個要點，我們依照重要 要性來排序，越前面越先考量。 1、大電流路徑參考 Figure1 a、黃色路徑為大電流且高雜訊路徑，回圈盡可能縮短距離及線徑儘可能加 粗。 b、紅色及綠色為大電流路徑，回圈盡可能縮短距離及線徑儘可能加粗 FP6188 由藍色的 Low Side MOS 來取帶 Schottky Diode。 c、大電流路徑要盡量避免穿泂 2、小電路路徑參考 Figure2 a、分壓回授點(紅色路徑)與 FB 應儘可能靠近，避免干擾。 b、分壓電阻的地要盡量靠近 IC。 3、其他注意事項 a、輸入高頻旁路電容要盡量靠近 IC b、補償元件要盡量靠近 IC - 17 - Technology , Corp. 文件名稱 文件編號 FP6186 設計指導手冊 PW-AN0040 2、FP6186 Demo Board PCB 佈局 Silk Screen Top Layer Bottom Layer - 18 - 版別 A0 Technology , Corp. 文件名稱 文件編號 FP6186 設計指導手冊 PW-AN0040 版別 A0 八、量測 1、數值記錄 輸出+3.3VDC 測量結果： 測試條件 量測值 百分比 VIN=12V, IO=0~2A 3.301V~3.289V 0.36% IO=0.4A,VIN=10V~14V 3.297V~3.298 0.03% IO=0.4A,VIN=5V~23V 3.295V~3.3V 0.15% 輸出漣波 VIN=12V, IO=2A 22mV 0.66% 轉換效率 VIN=12V, IO=2A 81.93% 負載變動率 線電壓變動率 Efficiency 90 Efficiency (%) 85 80 75 70 65 60 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Load Current (A) Demo Board 轉換效率圖表 - 19 - 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Technology , Corp. 文件名稱 文件編號 FP6186 設計指導手冊 PW-AN0040 2、波形記錄 Load Transient Response Vin=12V Vout=3.3V Load=0.4~2A Ch2=Vout Output Ripple Waveform Vin=12V Vout=3.3V Load=0.4~2A Ch2=Vout Cd3=SW - 20 - 版別 A0 Technology , Corp. 文件名稱 文件編號 FP6186 設計指導手冊 PW-AN0040 Power On & Soft-Star Vin=12V Vout=3.3V Load=0A Ch2=Vin Ch3=Vout Ch3=SS SCP Vin=12V Vout=3.3V Load=Short Ch3=Vout Ch4=SW - 21 - 版別 A0 Technology , Corp. 文件名稱 文件編號 FP6186 設計指導手冊 PW-AN0040 3、FP6186 Demo BOARD 零件表(BOM) Reference Quantity Description C1 1 0.01µF C2,C8 2 0.1µF C3 1 100µF/oscon C4 1 100µF/Low ESR C9 1 33pF C10 1 1500pF C11 1 0.022µF D1 1 SK34 IC1 1 FP6180 L1 1 4.7uH/4.6A R2 1 16k R3 1 47K R4 1 6.2k FP6186 Demo Board Bill of Materials - 22 - 版別 A0 Technology , Corp. 文件名稱 文件編號 FP6186 設計指導手冊 PW-AN0040 版別 A0 九、熱處理 1、IC 消耗功率 FP6186 內含功率 MOS， IC 會產生熱原，所以在設計上要注意熱的處理。 在這個 12V 轉 3.3V 的例子裡，效率為 81.93%，所以功率損失為 1.45W ，在 這個 Regulator 中，有三個主要的功率原件，分別為 MOS、Schottky 2 Diode(以下簡稱 SBD)及電感，其中電感的損失為 I O * DCR ，我們量測電感 的 DCR 為 47mΩ，所以電感消耗的功率為 0.188W ，SBD 的損失為 VF * I * (1 − D) ，我們實際量測 Forward Voltage 對 Current，在 2A 時 VF =0.364V，所以 SBD 的損耗為 0.503W ，所後 IC 的損耗為 1.45 − 0.188 − 0.503 = 0.759 W，這 0.759W 中包含了 IC 本身的損耗及 MOS 的 損耗。 因此，想要提升效率，可以從電感 DCR 及 SBD 來著手。 而這些功率元件在 PCB Layout 時要注意訊號上的問題外，還要注意散熱的 問題，而這元件又是大電流路徑上的元件，需要靠近，這點與散熱的需求相 違背，這點就需要使用者自行斟著。 - 23 - Technology , Corp. 文件名稱 文件編號 FP6186 設計指導手冊 PW-AN0040 版別 A0 2、IC 熱阻系數 θjc 為 junction 到 IC 表面的熱阻系數，θca 為 IC 表面到環境的熱阻系數。 因為 IC 從內部到表面的黑體厚度不一樣，所以 θ 值也會不一樣，像 θjc”與 θjc 就不一樣，θjc 的值由封裝黑體的材質來決定，同理，θca 其量測環境距 離不一樣也會造成不同。 Pd 就像電流，熱阻就像電阻，溫度就像電壓，如下圖，Pd 流過 θjc 就會產生 溫降，我們就可以量到 Case 的溫度，公式為 T j = θ jc * Pd + Tc ，而 θca 為 IC 本身對環境的熱阻，其值可能比較大一點，所以我們加 Heat Sink 上去，來 幫助 IC 把熱導到環境去，θs 為接觸面的熱阻，θh 為 Heat Sink 對環境的熱 阻，原本 IC 表面對環境的溫度差 Tc − Ta = θ ca * Pd 變成 Tc − Ta = (θ ca //(θ s + θ h )) * Pd ， 表面對環境的熱阻變小了，溫差及 IC 表面溫度也會變低，IC 表面溫度變低， Junction 溫度也會跟著變低。 - 24 - Technology , Corp. 文件名稱 文件編號 FP6186 設計指導手冊 PW-AN0040 版別 A0 FP6186 配有 Exposed pad，可以讓使用者銲在 PCB 板上幫助 IC 散熱，所 以在 PCB Layout 時要留給 Exposed pad 大面積的銅箔。Exposed pad 在電 性上只要接地即可。 我們量測未把 Exposed pad 銲上 PCB 時的溫度，在 12V 轉 3.3V 負載 2A 時 為 90℃，銲上 PCB 之後為 64℃，降低了 26℃，PCB 為 3.6cm*6cm 0.5oz。 θjc 表 型號 Θjc(℃/W) FP6186(SO8EP) FP6181(MSOP10EP) 10 19 θjc 值由封裝決定，一般我們測到的值， SO8EP 封裝大約在 6~8℃/W 左 右，MSOP10EP 封裝大約在 16~18℃/W 左右。 在計算上我們會使用略大一點的值來計算，一方面會有顆與顆間的差異，一 方面也可以估計的較保守，避免發生過熱的現象。 全文完 - 25 -