基于控制器LM2727的高速同步降压开关稳压器设计
摘要:LM2727是一种低输出电压N沟道MOSFET高速同步降压开关稳压器控制器,它可以从2.2V~16V的输入得到0.7A~20A、低至0.6V的输出和95%的效率。文中介绍了LM2727的结构、特点及其组成的降压稳压器设计。
关键词:LM2727 同步降压 开关稳压器 设计
1、引言
LM2727是美国国家半导体(NS)公司为应用于有线调制解调器、机顶盒/家庭网关、DDR内核电源和高效率分布式电源而设计的一种N沟道功率MOSFET同步降压高速开关型稳压器控制IC。LM2727输入电压范围为2.2~16V,输出电压可调低到0.6V,负载电流从0.7A到20A,效率高达95%,开关频率利用单个电阻在50kHz~2MHz范围内可调节,并且提供电流限制、输出欠电压和过电压保护及电源好(Power Good, PG)标志。
2、LM2727的结构及其特点
LM2727芯片集成了振荡器、PWM比较器、反馈误差放大器、同步驱动逻辑、MOSFET高/低端栅极驱动器及电流限制、软启动、输入欠压锁定(UVLO)、输出欠电压与过电压保护(UVP/OVP)及电源好标志等电路,其内部结构框图如图1所示。
LM2727采用14引脚塑料TSSOP封装,引脚排列如图2所示。
LM2727各引脚功能见表1。
表1 LM2727引脚功能
LM2727的主要特点是:(1)输出电压可由电阻分压器设置,最低可调至0.6V;(2)电流限制无需传感电阻;(3)开关频率、软启动时间、电流限制电平等可编程;(4)提供输出UVP/OVP锁断、电源好标志和IC逻辑关闭,当输出电压降至正常值70%以下或高于118%时,IC则锁断。
3、基于LM2727的DC-DC降压稳压器原理与设计
由控制器LM2727的DC-DC开关型降压稳压器电路如图3所示。该电源电路的技术要求是:
输入电压Vin=5V;
输出电压Vo=1.2V;
输出电流Io=10A;
开关频率fsw=300kHz;
效率η=85%。
根据这些性能要求,设计程序和方法如下所述。
3.1 输入电容器选择
输入电容器Cin1,2用作抑制输入电流纹波。输入有效值电流纹波Irms-rip由输出电流Io和开关占空比D确定,计算公式为
上式中:Io=10A;D=Vo/Vin=1.2V/5V=0.24,因此可得Irms-rip=4.27A。
Cin1,2可选用2个Sanyo的10MV5600AX(5600μF/10V)的铝电解电容器并联,这种电容器工作温度为105℃,在100kHz时的等效串联电阻ESR为18mΩ。Cin1,2也可选用MLCC、钽电容、OSCON、SP及POSCAPS等电容器。
Cin1,2用作高频旁路,滤除开关谐波和输入噪声,可采用2个1μF/10V的陶瓷电容相关联。
Vcc脚上的电容Cin和电阻Rin用作平滑Vcc电压和自举电压,Cin可选用2.2μF/25V的陶瓷电容,Rin采用10Ω的电阻,自举电容Cboot为0.1μF。
3.2 输入电感器Lin选择
输入电感器Lin用作抑制开关噪声并限制输入电流的转换速率。其电感值由无载到满载时Lin上的电压变化ΔV与输入电流最大变化率(di/dt)max确定,并可表示为
Lin≥ΔV /(di/dt)max
ΔV可以视为满载电流通过输入电容器ESR引起的。由于输入电容总RESR=18mΩ/2=9mΩ,故ΔV=IoRESR=10A×9mΩ=90mV。在台式计算机等设备中,di/dt约为0.1A/μs,因此Lin≥90mV/(0.1A/μs)=0.9μH。输入电感器应能处理DC输入电流,该电流值为
IIN-DC=IOD/η=(10A×0.24)/0.85=2.83A
输入电感器可以选择TDK SLF12575T-1R2N8R2,其电感值为1.2μH,可处理8.2A的DC电流,DC电阻为7mΩ,尺寸为7.29×7.29×3.51(mm)。
3.3输出电感器L1选择
输出电感器L1用作平滑由开关作用产生的方波并控制输出纹波电流ΔI。其电感值由输入电压Vin、输出电压Vo、开关频率fsw、占空因数D和ΔIo共同确定,计算公式为
若峰-峰值输出电流纹波为负载电流的40%,所需要的电感值则为1.5μH。输出电感器必须能够处理峰-峰值电流(即Io+ΔIo/2=10A+2A=12A)因此L1可选用Coilcraft的DO5022-152HC电感器,其电感值为1.5μH,额定电流为15A,DC电阻为4mΩ,尺寸为22.35×16.26×18(mm)。
3.4 输出电容器选择
输出电容器C01~3用作控制输出电压纹波ΔVo并在负载快速变化期间施加负载电流。输出纹波电压ΔVo和纹波电流ΔIo决定允许最大ESR,即
RESR(max)=ΔVo/ΔIo
为了保持2%的峰-峰值输出电压纹波和40%的峰-峰值电感电流纹波,最大ESR值为RESR(max)=1.2×0.2V/10A×0.4=6mΩ。CO1~3可选用Sanyo的10MV5600AX,用三个这样的电容器相并联,总电容为16.8mF,总RESR=18mΩ/3=6mΩ。
3.5 频率设置电阻Rfadj选择
LM2727的开关频率由IC引脚FREQ上的外部接地电阻Rfadj设置。由于选择fsw=30
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