ADP2302/ADP2303非同步降壓調(diào)節(jié)器：高效電源解決方案

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。今天我們來(lái)詳細(xì)探討一下Analog Devices公司的ADP2302/ADP2303非同步降壓調(diào)節(jié)器，看看它如何為我們的設(shè)計(jì)帶來(lái)高效、穩(wěn)定的電源解決方案。

文件下載：ADP2302.pdf

一、產(chǎn)品概述

ADP2302/ADP2303是固定頻率、電流模式控制的降壓型DC - DC調(diào)節(jié)器，集成了功率MOSFET。其輸入電壓范圍為3.0 V至20 V，輸出電壓可調(diào)至0.8 V，ADP2302最大連續(xù)輸出電流為2 A，ADP2303則為3 A。這種寬輸入電壓范圍和靈活的輸出電壓設(shè)置，使得它們適用于各種應(yīng)用場(chǎng)景。

（一）特性亮點(diǎn)

1. 寬輸入電壓范圍：3.0 V至20 V的輸入電壓范圍，能適應(yīng)不同的電源環(huán)境，為設(shè)計(jì)提供了更大的靈活性。
2. 高精度輸出：在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，輸出精度可達(dá)±1.5%，確保了穩(wěn)定的電源輸出。
3. 高頻開(kāi)關(guān)：700 kHz的開(kāi)關(guān)頻率，允許使用小電感和陶瓷電容，從而實(shí)現(xiàn)緊湊的解決方案。
4. 多種保護(hù)功能：具備欠壓鎖定（UVLO）、過(guò)流保護(hù)（OCP）、熱關(guān)斷（TSD）等保護(hù)功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。
5. 集成設(shè)計(jì)：集成了高端MOSFET和自舉二極管，減少了外部元件數(shù)量，降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

（二）應(yīng)用領(lǐng)域

1. 中間電源軌轉(zhuǎn)換：可用于將高電壓轉(zhuǎn)換為適合后續(xù)電路使用的低電壓。
2. DC - DC負(fù)載點(diǎn)應(yīng)用：為特定負(fù)載提供穩(wěn)定的電源。
3. 通信和網(wǎng)絡(luò)：滿足通信設(shè)備對(duì)電源穩(wěn)定性和效率的要求。
4. 工業(yè)和儀器儀表：在工業(yè)環(huán)境中提供可靠的電源支持。
5. 醫(yī)療保健：為醫(yī)療設(shè)備提供安全、穩(wěn)定的電源。
6. 消費(fèi)電子：適用于各種消費(fèi)電子產(chǎn)品，如智能手機(jī)、平板電腦等。

二、工作原理

（一）基本操作

ADP2302/ADP2303在中高負(fù)載時(shí)采用固定頻率、峰值電流模式PWM控制架構(gòu)，輕負(fù)載時(shí)則切換到脈沖跳躍模式控制方案，以減少開(kāi)關(guān)功率損耗，提高效率。

（二）PWM模式

在PWM模式下，調(diào)節(jié)器以固定頻率運(yùn)行，由內(nèi)部振蕩器設(shè)置。每個(gè)振蕩器周期開(kāi)始時(shí)，MOSFET開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，電感電流增加，直到電流檢測(cè)信號(hào)超過(guò)峰值電感電流閾值，MOSFET開(kāi)關(guān)關(guān)閉。在MOSFET關(guān)斷期間，電感電流通過(guò)外部二極管下降，直到下一個(gè)振蕩器時(shí)鐘脈沖到來(lái)，開(kāi)始新的周期。

（三）節(jié)能模式

當(dāng)輸出負(fù)載低于脈沖跳躍電流閾值時(shí)，ADP2302/ADP2303平滑過(guò)渡到脈沖跳躍模式。當(dāng)輸出電壓低于調(diào)節(jié)范圍時(shí)，進(jìn)入PWM模式幾個(gè)振蕩器周期，直到電壓恢復(fù)到調(diào)節(jié)范圍。在脈沖跳躍模式下，輸出電壓紋波比PWM模式大，但能有效降低轉(zhuǎn)換損耗，提高效率。

（四）自舉電路

ADP2302/ADP2303集成了自舉調(diào)節(jié)器，需要在BST和SW引腳之間放置一個(gè)0.1 μF的陶瓷電容，為高端MOSFET提供柵極驅(qū)動(dòng)電壓。芯片內(nèi)部集成的二極管可防止MOSFET開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)VIN和BST引腳之間的反向電壓。

（五）精密使能

提供具有1.2 V參考閾值和100 mV遲滯的精密使能電路。當(dāng)EN引腳電壓大于1.2 V時(shí)，器件啟用；低于1.1 V時(shí)，器件禁用。該功能可用于可編程UVLO輸入，也可方便地與其他輸入/輸出電源進(jìn)行時(shí)序控制。

（六）集成軟啟動(dòng)

內(nèi)部數(shù)字軟啟動(dòng)電路可限制輸出電壓上升時(shí)間，減少上電時(shí)的浪涌電流，軟啟動(dòng)時(shí)間固定為2048個(gè)時(shí)鐘周期。

（七）電流限制

包含電流限制保護(hù)電路，限制高端MOSFET開(kāi)關(guān)中的正向電流，防止過(guò)大電流從輸入流向輸出。

（八）短路保護(hù)

采用頻率折返機(jī)制，當(dāng)輸出發(fā)生硬短路時(shí)，降低開(kāi)關(guān)頻率，減少平均輸出電流，防止輸出電流失控。當(dāng)短路解除后，啟動(dòng)軟啟動(dòng)周期，恢復(fù)正常輸出。

（九）欠壓鎖定（UVLO）

當(dāng)輸入電壓低于2.4 V時(shí)，ADP2302/ADP2303關(guān)閉，MOSFET開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；電壓上升到2.7 V以上時(shí)，啟動(dòng)軟啟動(dòng)周期，器件啟用。

（十）熱關(guān)斷（TSD）

當(dāng)結(jié)溫超過(guò)150°C時(shí)，熱關(guān)斷電路禁用芯片。結(jié)溫下降到135°C以下時(shí)，啟動(dòng)軟啟動(dòng)，恢復(fù)正常工作。

（十一）過(guò)壓保護(hù)（OVP）

當(dāng)反饋電壓高于0.880 V時(shí)，內(nèi)部高端MOSFET關(guān)閉，直到FB引腳電壓降至0.850 V，恢復(fù)正常運(yùn)行。

（十二）電源良好信號(hào)（PGOOD）

PGOOD引腳是一個(gè)高電平有效、開(kāi)漏輸出，需要一個(gè)上拉電阻。當(dāng)FB引腳電壓高于參考電壓的87.5%時(shí)，PGOOD輸出高電平；低于85%時(shí)，輸出低電平。檢測(cè)到FB引腳電壓超出范圍后，有32個(gè)周期的等待時(shí)間。

三、應(yīng)用信息

（一）ADIsimPower設(shè)計(jì)工具

ADP2302/ADP2303得到了ADIsimPower設(shè)計(jì)工具集的支持。該工具集可根據(jù)特定設(shè)計(jì)目標(biāo)生成完整的電源設(shè)計(jì)，包括原理圖、物料清單和性能計(jì)算，能在考慮IC和外部組件的工作條件和限制的情況下，優(yōu)化設(shè)計(jì)的成本、面積、效率和零件數(shù)量。

（二）輸出電壓編程

ADP2302/ADP2303的可調(diào)版本可通過(guò)外部電阻分壓器編程輸出電壓，計(jì)算公式為 (V{OUT}=0.800 V× left( 1+frac {R{TOP}}{R_{BOT}}right)) 。文檔中給出了不同輸出電壓下建議的電阻值。

（三）電壓轉(zhuǎn)換限制

輸出電壓存在上下限限制，下限受最小導(dǎo)通時(shí)間約束，上限受最小關(guān)斷時(shí)間約束。此外，自舉電路的內(nèi)部壓降也會(huì)限制輸入電壓與輸出電壓的差值。

（四）低輸入電壓考慮

當(dāng)輸入電壓在3 V至5 V之間時(shí)，內(nèi)部自舉調(diào)節(jié)器可能無(wú)法提供足夠的自舉電壓，導(dǎo)致MOSFET (R_{DS(ON)}) 增加，可用負(fù)載電流減少。此時(shí)可添加外部小信號(hào)肖特基二極管，從5.0 V外部自舉偏置電壓獲取電源。

（五）精密使能編程

EN引腳可連接到VIN引腳，使器件在輸入電源施加時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)。也可通過(guò)連接電阻分壓器到VIN，將其用作可編程UVLO，防止軟啟動(dòng)時(shí)輸入電壓緩慢上升導(dǎo)致的啟動(dòng)問(wèn)題。還可通過(guò)另一個(gè)DC - DC電源的電阻分壓器進(jìn)行精確的時(shí)序控制。

（六）電感選擇

ADP2302/ADP2303的高開(kāi)關(guān)頻率允許使用小電感，建議電感值在1 μH至15 μH之間。電感的峰 - 峰紋波電流計(jì)算公式為 (Delta I{RIPPLE}=frac {left( V{IN}-V{OUT }right) }{L× f{sw}}× left( frac {V{OUT }+V{D}}{V{IN }+V{D}}right)) ，為獲得最佳瞬態(tài)響應(yīng)和效率，通常將電感峰 - 峰紋波電流設(shè)置為最大負(fù)載電流的30%。同時(shí)，要確保電感的最小電流額定值大于電感峰值電流，對(duì)于具有快速飽和特性的鐵氧體磁芯電感，其飽和電流額定值應(yīng)高于開(kāi)關(guān)電流限制閾值。

（七）續(xù)流二極管選擇

續(xù)流二極管在內(nèi)部MOSFET關(guān)斷期間傳導(dǎo)電感電流，其平均電流取決于調(diào)節(jié)器的占空比和輸出負(fù)載電流。建議選擇肖特基二極管，因其正向電壓降小、開(kāi)關(guān)速度快，能提高效率。

（八）輸入電容選擇

輸入電容需能承受最大輸入工作電壓和最大RMS輸入電流，RMS紋波電流最大為 (I_{LOAD(max)}/2) 。建議選擇具有X5R或X7R電介質(zhì)的陶瓷電容，電容值為10 μF通常足以滿足大多數(shù)應(yīng)用需求。為減少電源噪聲，應(yīng)將輸入電容盡可能靠近ADP2302/ADP2303的VIN引腳放置。

（九）輸出電容選擇

輸出電容的選擇會(huì)影響輸出電壓紋波和調(diào)節(jié)器的環(huán)路動(dòng)態(tài)。ADP2302/ADP2303設(shè)計(jì)用于與低ESR和等效串聯(lián)電感（ESL）的小陶瓷電容配合使用，以滿足嚴(yán)格的輸出電壓紋波規(guī)格。建議選擇具有X5R或X7R電介質(zhì)的陶瓷電容，大多數(shù)應(yīng)用需要至少2 × 22 μF的輸出電容。

（十）熱考慮

在典型負(fù)載條件下，ADP2302/ADP2303內(nèi)部的功率損耗較小，但在高環(huán)境溫度、最大負(fù)載和高占空比的應(yīng)用中，可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)溫超過(guò)125°C。結(jié)溫計(jì)算公式為 (T{J}=T{A}+T{R}) ，其中 (T{R}=theta{J A} × P{D}) ，(theta{J A}) 為結(jié)到環(huán)境的熱阻，(P{D}) 為封裝內(nèi)的功率損耗。

四、設(shè)計(jì)示例

以一個(gè)輸入電壓為12.0 V ± 10%，輸出電壓為3.3 V、3 A，輸出紋波為1%的設(shè)計(jì)為例，介紹了外部組件的選擇過(guò)程：

1. 續(xù)流二極管選擇：選擇SSB43L 4.0 A、30 V表面貼裝肖特基二極管，以確?？煽窟\(yùn)行。
2. 電感選擇：計(jì)算得到電感值為4.12 μH，選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)值4.7 μH，電感峰值電流為3.4 A，因此選擇VLF10040T - 4R7N5R4電感。
3. 輸出電容選擇：根據(jù)輸出電壓紋波要求，選擇兩個(gè)47 μF、6.3 V的電容。
4. 電阻分壓器選擇：對(duì)于3.3 V輸出電壓，選擇 (R{TOP}=31.6 k Omega) 和 (R{BOT}=10.2 k Omega) 作為反饋電阻分壓器；對(duì)于可編程 (V{IN}) 啟動(dòng)電壓，選擇 (R{EN 2}=10.2 k Omega) ，計(jì)算得到 (R_{EN 1}=56 k Omega) 。

五、電路板布局建議

良好的電路板布局對(duì)于ADP2302/ADP2303的性能至關(guān)重要。以下是一些布局建議：

1. 將輸入電容、電感、續(xù)流二極管、輸出電容和自舉電容靠近IC放置，使用短走線。
2. 確保高電流環(huán)路走線盡可能短而寬。
3. 最大化組件側(cè)的接地金屬面積，以提高散熱性能。
4. 使用帶有多個(gè)過(guò)孔的接地平面，連接到組件側(cè)接地，以減少敏感電路節(jié)點(diǎn)的噪聲。
5. 最小化FB走線的長(zhǎng)度，避免其靠近高電流走線和開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)，以防止噪聲拾取。

六、總結(jié)

ADP2302/ADP2303非同步降壓調(diào)節(jié)器憑借其寬輸入電壓范圍、高精度輸出、多種保護(hù)功能和集成設(shè)計(jì)，為電子工程師提供了一個(gè)高效、穩(wěn)定的電源解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇外部組件，并注意電路板布局，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。大家在使用過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)交流分享。