ns

采用 PowerWise® Simple Switcher 控制器 简化负载点电源系统设计 易用程度易用程度 模块模块 输 出 电 流 输 出 电 流 4-5A 传统控制器传统控制器 面向的应用领域 Simple Switcher Simple Switcher 控制器控制器 高集成高集成度度开关稳压器开关稳压器 高 12A Simple Switcher 控制器 2 *PowerWise 标准 = 若转换比率为 7:1 或以上，效率最少可达 85% • 广受欢迎的的 Simple Switcher 开关电源系列的最新产品 – 专为设计经验不多或设计时间紧 迫的客户而提供，最适用于输出 电流超过 4～ 5A 的系统设计 • 输出电流高于传统的 Simple Switcher 稳压器 • 容易使用的同步控制器系列 – 输出电流高达 12A – 6V 至 42V 的输入电压范围 – 固定及可调整的开关频率 – 固定及可调整的输出电压 • 由元件挑选、仿真、电路布局到 电路评估的整个设计过程都可获 不同设计工具支持 – 全套 WEBENCH® 在线设计工具 ，提供多款 FET 供客户选择 – 另有多种不同的离线设计工具 • PowerWise* – 在输出 10A 电流时，效率可高达 93% 3 何谓 Simple Switcher 控制器? 固定导通时间及 仿纹波控制 4 EA C1 Feedback Compensation R S Q Oscillator Driver Switch Reference Voltage Vin Vout 优点: 频率固定 纹波较低 (必要的) 缺点: 环路设计复杂 带宽有限 (相对于 迟滞转换器) 补偿电路及误差信号放大器 (EA) 带宽 有限，因此不可以迅速作出瞬态响应 对开关比较器而言等 效于的纹波 纹波必须很低才可有 效控制反馈 基本的 PWM 直流/直流转换器 5 tON 和 tOFF 以及频率都会随 VIN、VOUT、 L、ESR、ESL、VHYS*(RF1+RF2)/RF2、及 td 而变动 缺点: 优点: 高带宽带来瞬态响应便越快 无需为频率提供补偿 (极点，零点) 已有输入电压前馈功能 必须有纹波，才可 正确触发比较器 较难控制频率 !! 迟滞降压稳压器基本结构 6 RF2 R F1 + - Error Comparator Modulator VREF + - RL RC (ESR) VIN VOUT Power Stage L C One-Shot Inversely Proportional to Vin VFB ON • 优点 1. 恒定频率与输入电压的关系 2. 轻载时，也能发挥极高效率 3. 瞬态响应极快 • 缺点 1. 反馈比较器必须有纹波 2. 对输出噪声较为敏感，因为这些噪声 会变为反馈纹波 若输入电压不变，即使负载电流有变，导通时间也会保持恒定 与输入电压呈 反比关系的单稳触 发器 7 固定导通时间 (COT) 迟滞稳压器 (典型例子) 工作频率与输入电压之间的关系 (连续导电模式) 8 为何要为降压稳压器引进纹波抑制技术 对许多应用来说，输出纹波不会对电路构成问题。换言之，纹波电压 或频率不会影响负载。 但部分应用的输出电压纹波可能会产生负面的影响，因此纹波振幅必 须尽量缩小。 对于 3.3V 的输出电压来说，200 mV 纹波的影响远比同一纹波对 15V 输出电压的影响为大。 对于部分终端产品来说，频率才是干扰其他内置电路的噪声源。例 如，开关频率可能处于 AM 收音机接收频带的范围内 (535 kHz 至 1605 kHz)，但只要改用另一开关频率，便可解决这个问题，这样做 并不很难。 9 • 输出电压纹波 = 电感器纹波电流 x R3 • 若输入电压上升，电感器纹波电流也会随着上升，因此输出纹波 电压也会随着上升。 FB SW L1 C2 R1 R2 BST VCC C3 C4 D1 VOUT RON/SD VIN Input Voltage C1 RTN SGND RON R3 Ripple here must be >25 mVp-p Ripple here is greater than that at FB by the ratio of (R1+R2)/R2. COT 400 mA 100 mA 50 mV 采用基本配置的电路 10 FB SW L1 C2R1 R2 BST C4 D1 VOUT SGND Ripple here must be >25 mVp-p 电路电压不稳定，会产 生很多噪声及抖动 !! VcV Cf IESRIV ESR OUTSW L LOUT +=⋅⋅ Δ+⋅Δ=Δ 8 反馈信号在此应 该上升，但实际 却在下跌 !! Vc iL Vesr, ESR 太小 • VC 与电感器电流波形出现 90 度的相移 • VESR 与电感器电流波形保持同相 • 若 VESR 值太小，大部分反馈电压 (VFB) 纹波都来自 VC 的相移部分，这样不但会产生抖动，而且无法稳定电压 = Vo_DC + Vc + Vesr 完全不用 R3 会有什么影响? 11 加 C5 之后，反馈电压纹波便会等于输出电压纹波， 而不会因 R1 及 R2 出现衰减。 这样虽不能彻底消除纹波，但可将其减少 FB SW L1 C2 R1 R2 BST VCC C3 C4 D1 VOUT RON/SD VIN Input Voltage C1 RTN SGND RON R3 Ripple here must be >25 mVp-p Ripple here can now be a minimum of 25 mVp-p - same as at FB. C5 COT 20 mV 400 mA 100 mA 加前馈电容器 C5 12 COT 400 mA 100 mA 10 mV 利用 DCR 检测的结构 13 若采用纹波最小化的配置，典型纹波振幅会介于 2 mVp-p 与 15 mVp-p 之间。 VIN (V) 400 300 200 100 0 R i p p l e a t V O U T 1 ( m V p - p ) 0 12 20 40 60 75 Without C5 With C5 With R4, C6, C7 Vout = 10V 实现纹波最小化的配置与前述示例之间的比较 14 仿纹波模式 (ERM) 简介 固定导通时间 (COT) 的优缺点: • 固定导通时间控制的稳定性对噪声干扰较为敏感，因此必须印制电路板布局要求很高 • 输出电容器的等效串联电阻要求很大，才可确保导通时间固定 – 反馈引脚必须有少量纹波，才可支持稳定的开关功能，以及确保负载调整率 • 不适用于高电流的系统 仿纹波模式 (ERM) 解决方案 -- 可将输出电压纹波减至最少，同时可执行稳 定的的开关功能 : • 正申请专利的仿纹波模式控制电路 – 系统可以采用等效串联电阻很低的输出电容器，但又可执行稳定的开关稳压功能 • 输出电压纹波极低，峰峰值与电压模式及电流模式的控制电路无异 • 可以简化反馈电路的设计，同时确保有快速的瞬态响应，这两方面可媲美固定导通时 间解决方案，但仿纹波模式解决方案还有另一优点：可以降低高电流系统对印制电路 板设计的要求。 15 1. 仿纹波模式电路可以在关断周期内感测低端 FET 的电压 (VSEN) 2. 将 VSEN 与 VREF 叠加加在一起，模拟输出端的 “纹波” 3. 低端 FET 的导通状态电阻替代了输出电容器的等效串联电阻 – 输出端无需采用较大等效串联电阻的电容器 – 若要完全消除对输出电容等效串联电阻的要求，只需：Rdson ≥ ESRc VREF VSEN Simple Switcher Controller 仿纹波模式 (ERM) 背后的运作原理? 16 反相 VSEN 只是关 断期间的 VESR 的 复制波形。 inverted 若要消除对 ESRc 的要求, RJ* ≥ ESRc= D/(2Cofs) *RJ = 低端 FET 的导通状态电阻 VESR 17 仿纹波模式工作原理图 vc iL - VESR vc iL VSEN 转折点 : 若 vc < -vesr, 便会触发固定的导通时间 转折点 : 若 vc < vsen, 便会触发固定的导通时间 采用 ESRC 采用 ERM, RJ = ESRC 仿纹波模式控制方式的不同波形比较 18 19 陶瓷输出电容器 (等效串联电阻较低)钽质输出电容器 (等效串联电阻较高) 同样的电容量，但纹波 则低很多 !!! 仿纹波模式仿纹波模式 ((ERM) ERM) 控制方法的优点是可以采用等效串控制方法的优点是可以采用等效串 联电阻较低的电容器及保持稳定的开关稳压功能联电阻较低的电容器及保持稳定的开关稳压功能 输出电压纹波比较 19 仿纹波模式 (ERM) 固定导通时间技术具有多项优点 • 无需环路补偿 – 只需极少外置元件 – 瞬态响应极快 • 成本较低 • 容易使用 • 稳定可靠 • 接近固定的工作频率 – 外置分立元件的数值不会影响频率 • 稳定可靠、性能卓越 • 简化设计 • 仿纹波模式 (ERM) 电路 – 输出电压纹波极低，稳定的开 关稳压功能 – 无需为低的等效串联电阻提供 额外补偿 • 等效串联电阻更低的电容器 Æ体积更小 • 工作稳定 • 设计更灵活 20 产品规格与特点 21 Simple Switcher 控制器简介 主要特点: • 输入电压：6V 至 42V • 可调整输出电压，可调低至 0.6V • 可设定开关频率，最高可达 1 MHz • 可输出高达 12A 的驱动电流 • 0.6V ±1.5% 的参考电压 • 固定导通时间控制 – 正在申请专利的仿纹波模式 (ERM) 控制技术 – 快速的瞬态响应时间 – 可以利用 RON 电阻设定导通 时间 Simple Switcher 控制器 • 容易使用 – 无需环路补偿 – 可获全套 WEBENCH 设计工具支持 – 只需极少外置元件 • 可设定限流值 (谷值电流) • 可设定软启动 • 过热停机、过压保护、欠压锁定 22 Simple Switcher 控制器的结构框图 可以利用 RON 电阻设 定导通时间 可调整 输出电压 采用仿纹波模式 (ERM) 的控制方法可以 采用等效串联电阻更低的输出电容器 设定 软启动 设定谷值电流 6V 至 42V 的输 入电压范围 设有外置低端 FET，因此可在 高电流下实现提 高效率 可设定开关频率，最高可 达 1 MHz Simple Switcher 控制器 23 固定输出电压 Simple Switcher 控制器简介 主要特点: • 所需元件比可调整输出电压 控制器少 5 颗 • 输入电压：6V 至 42V • 固定输出电压 – 2.5V、3.3V、5V • 固定开关频率 – 250 kHz、500 kHz 及 750 kHz • 可输出高达 12A 的驱动电流 • 固定导通时间控制 – 正在申请专利的仿纹波模式 (ERM) 控制技术 – 快速的瞬态响应时间 EN BST SW L CBST LM3151 FB VIN VOUT V CVCC VCC PGND COUT GND HG LG VIN INC IN Simple Switcher 控制器 (固定电压 版本) • 容易使用 – 无需环路补偿 – 可获全套 WEBENCH 设计工具支持 – 只需极少外置元件 • 所需元件少于 LM3150 • 限流 (谷值电流) • 过热停机、过压保护、欠压锁定 24 产品的结构框图 6V 至 42V 的输入电压 范围 只需极少外 置元件 : 比可调整输 出电压控制 器少 5 颗 固定输出电 压 : 2.5V, 3.3V, 5V 采用仿纹波模式 (ERM) 的控制方法可以 采用等效串联电阻更低的输出电容器 固定频率 : 250 kHz, 500 kHz, 750 kHz 设有外置低端 FET，因此可在 高电流下实现提 高效率 限流 (谷值电流) Simple Switcher 控制器 25 效率曲线图 LM3152-3.3 Efficiency 500 KHz HS and LS FET: MVR1271 1.65 uHRJK0305 60 65 70 75 80 85 90 95 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Load Current (A) E f f i c i e n c y ( % ) 6Vin 10Vin 15Vin 20Vin 25Vin 30Vin 效率 (频率为 500 kHz) 高端及低端 FET: MVR1271 1.65 uHRJK0305 26 特色 优点 对客户的好处 利用仿纹波模式 (ERM) 的控 制技术执行固定导通时间稳 压功能 • 无需环路补偿 – 可以减少元件数目 • 快速的瞬态响应 • 频率较为恒定 – 不受分立元件影响 • 采用仿纹波模式 (ERM) 的控制方法，因此可以采用等效串 联电阻更低的输出电容器，优点是可以降低输出纹波 • 设计更易 / 更快 • 性能卓越 / 稳定可靠 • 成本更低 PowerWise • 驱动负载时，效率也高达 93% • 同步结构 • 功耗较少 可设定开关频率 (可调整输出 电压的型号) • 可以根据客户要求设定有关参数 – 方案体积符合特定要求 • 提高设计的灵活性 固定电压版本控制器的特点 是频率及输出电压都固定 • 可以缩小方案体积 – 只需极少元件 • 容易使用 • 更快完成设计 广阔的输入电压范围 : 6V 至 42V • 适用于多种不同的应用 • 提高设计的灵活性 对客户的整体好处 : 容易使用及融入系统设计，发挥卓越的性能或效率 *PowerWise 指标：效率 85% 以上 (转换率不少于 7:1) SIMPLE SWITCHER® 控制器 特色/优点 27 软启动 28 采用固定导通时间技术执行软启动功能 • 软启动 (SS) 的好处 – 采用软启动方式启动电源供应可防止磁元件出现饱和，而且避免 出现较高的浪涌电流及输出电压过冲。 • 软启动 – 传统的软启动 • 传统的软启动采用 PWM 控制模式，其特点是由 Ton = 0 起，占空比 及输出电压会在随后的几个周期内平稳上升 – Simple Switcher 控制器的软启动 • Simple Switcher 控制器采用固定导通时间 (COT) 技术，因此执行 软启动功能时，导通时间固定不变，关断时间则可由大变小，用这种 方式缓慢增加占空比。 29 有与没有软启动功能的固定导通时间控制器 • 没有软启动 – 采用固定导通时间 (COT) 技术执行启动功能，通电过程可分为 3 个 阶段 • 1 - 开环区 – 没有信号触发反馈及限流功能 – Ton = 一如所示；Toff = 最低 断电时间 • 2 - 限流区 – 已触发限流功能 • 3 - 稳压区 – 已触发反馈输入 – Ton = 一如所示； – Toff = 1-((Vin/Vout)* Ton) 1 区 2 区 3 区 30 有与没有软启动功能的固定导通时间控制器 (续) •有软启动 – 采用固定导通时间 (COT) 技术执行软启动功能，通电过程可分为 3 个阶段 • 1 - 开环区 – 没有信号触发反馈及限流功能 – Ton = 一如所示；Toff = 最低断电时间 • 2 - 软启动区 – Ton = 一如所示；Toff = 1-((Vin/Vref)* Ton) • 3 - 稳压区 – 已触发反馈输入 – Ton = 一如所示；Toff = 1-((Vin/Vout)* Ton) 1 区 2 区由软启动电容 器负责提升 Vref 31 预偏压操作 32 测试方法 外置 电源 Simple Switcher 控制器 电源 电流探头 CH3 电流探头 CH4 Simple Switcher Controller 负载 33 波形 - 1 • 输出电压 = 0.7V • 通电电流 = 0.55A • 供电电压 = 12V • 外部供电电压 = 0.3V 34 波形 - 2 • 输出电压 = 0.7V • 通电电流 = 开放负载 • 供电电压 = 12V • 外部供电电压 = 0.3V 通电电流 输出电压 外部供电电流 35 波形 - 3 • 输出电压 = 5V • 通电电流 = 0.55A • 供电电压 = 12V • 外部供电电压 = 0.3V 通电电流 外部供电电流 输出电压 36 波形 - 4 • 输出电压 = 5V • 通电电流 = 开放负载 • 供电电压 = 12V • 外部供电电压 = 0.3V 通电电流 外部供电电流 输出电压 37 设计工具 38 • WEBENCH® 元件计算器 (Component Calculator) 及 WebTHERM® 仿真程序：简单易用、确保可迅速完成 设计 – 可为电路选定不同参数 (例如体积、效率、整体现)，以便优 化设计 – 指出需要采用的外置元件 – 建议采用某几款外置元件 (并提供相关链路以便工程师采购) – 进行电子及热能模拟测试 – 可以选用 BuildIt!™ 的套件订购服务，订购度身订造的建模套 件 (套件会尽快送到客户手中) WEBENCH 在线设计工具 39 其他设计工具 • Excel 计算器工具 – 快速启动指南 - 外置元件计算器 – MOSFET 选择器 - FET 计算器 – 可以优化设计，提高设计的灵活性 • 评估电路板 – 有 3 个版本可供选择 • 输出电压 (Vout) = 3.3V，开关频 率 (fsw) = 250 kHz、500 kHz、 750 kHz • 应用笔记 – 提供更多有关固定导通时间、仿纹 波模式及设计方面的技术资料，让 工程师可以提高系统性能 • 参考设计 – 含全方位的解决方案，其中包括外 置元件计算数字，物料清单及线路 设计 – 演示电路板 - 整个设计只需极少 元件 • Gerber 及印制电路板电路布局文件 40 Excel 计算器工具: 提高设计的灵活性以及按照客户要求优化设计 MOSFET 选择器 = FET 计算器 快速应用指南 = 外置元件计算器 Simple Switcher 控制器的快速启动指南 41 提供全面解决方案的全套设计工具 选择选择 外置元件外置元件 进行进行 模拟测试模拟测试 电路板电路板 线路布局线路布局 WEBENCH •电路计算器 •开列物料清单 或 快速启动指南及 MOSFET 选 择器 •元件计算器可以进行复杂的 计算，确保不同设计参数可 以取得平衡，以便优化设计 及提高设计灵活性 或 参考设计 •针对应用挑选元件，并开列 物料清单及提供参考设计 WEBENCH • 电子仿真测试 • 热仿真 WEBENCH • 制作电路板 或 提供Gerber/印制电路板 线路布局文件 • 体积最小的线路布局 • 功能齐备的线路布局 电路板电路板 性能评估性能评估 WEBENCH • 制作电路板 或 评估电路板 42 内容纲要 43 Simple Switcher 控制器的特点: • 美国国家半导体不断扩大 SIMPLE SWITCHER 芯片系 列的产品阵容，最新推出的 SIMPLE SWITCHER 控制 器芯片可以支持高电流的应用 • 容易使用，同时系统发挥卓越的性能及效率 – 符合 PowerWise 要求的能源效率指标 - 驱动大电流负载效率 极高 – 设有仿纹波模式的固定导通时间稳压功能，为供电系统提供一 个性能卓越、稳定可靠、而又容易设计的解决方案 – 只需极少元件、有助缩小方案体积 – WEBENCH 网页提供全套在线及离线的设计工具 44 采用 PowerWise® �Simple Switcher 控制器�简化负载点电源系统设计 Simple Switcher 控制器 何谓 Simple Switcher 控制器? 固定导通时间及�仿纹波控制 基本的 PWM 直流/直流转换器 迟滞降压稳压器基本结构 固定导通时间 (COT) 迟滞稳压器 工作频率与输入电压之间的关系 �(连续导电模式) 仿纹波模式 (ERM) 简介 仿纹波模式 (ERM) 背后的运作原理? 仿纹波模式工作原理图 仿纹波模式控制方式的不同波形比较 仿纹波模式 (ERM) 固定导通时间技术具有多项优点 产品规格与特点 Simple Switcher 控制器简介 Simple Switcher 控制器的结构框图 固定输出电压 Simple Switcher 控制器简介 产品的结构框图 效率曲线图 SIMPLE SWITCHER® 控制器�特色/优点 软启动 采用固定导通时间技术执行软启动功能 有与没有软启动功能的固定导通时间控制器 有与没有软启动功能的固定导通时间控制器 (续) 预偏压操作 测试方法 波形 - 1 波形 - 2 波形 - 3 波形 - 4 设计工具 WEBENCH 在线设计工具 其他设计工具 Excel 计算器工具:�提高设计的灵活性以及按照客户要求优化设计 提供全面解决方案的全套设计工具 内容纲要 Simple Switcher 控制器的特点: