基于HIP6004E的降压型DC/DC变换器的设计

1 引言

HIP6004E是降压型同步整流PWM控制器和输出电压监控器，它在一个很小的封装（SOIC-20或TSSOP-20）内集成了PWM控制，输出电压调节，电压监视和过压、过流保护等功能，可在DC 1.050～1.825V范围内，以25mV的增量精确调节输出电压。另外，它还具有软启动，工作频率宽范围可调，遥控开关机，快速的动态响应，输出功率大，电压稳定度好等特点。这些优点使HIP6004E可以广泛应用于高性能微处理器供电（如Pentium Ⅲ和其它微处理器）和高功率DC/DC变换器及低电压分布式供电系统中。

2 HIP6004E引脚功能和工作原理

2.1 引脚功能

HIP6004E引脚排列如图1所示。

图1 引脚排列

各引脚功能如下：

脚1（VSEN） 电压检测脚，连接到变换器的输出电压端，PGOOD和OVP信号，利用该信号来检测输出电压的状态和进行过压保护；

脚2（OCSET） 过流设定脚，用来设定过流保护值；

脚3（SS） soft start，从该脚连接一个电容到地，设定变换器的软启动间隔时间，也可用来作为变换器的使能端，开启/关闭变换器；

脚4－脚8（VID25mV，VID0－VID3） 5位DAC的输入脚，通过这5个脚可对内部电压参考（DACOUT）进行编程，而DACOUT的输出用来设定变换器的输出电压，同时也用来设定PGOOD和OVP的门槛电压；

脚9（COMP） 内部误差放大器的输出，用来补偿变换器的电压反馈信号；

脚10（FB） 内部误差放大器的反相输入，用来补偿变换器的电压反馈信号；

脚11（GND） 信号地；

脚12（PGOOD） 电源好信号，OC门输出，用来指示变换器输出电压的状态；当输出电压超出DACOUT参考电压的±10％范围时，该信号变低，说明电压不正常；

脚13（PHASE） 将其连到上端MOSFET的源极，用来监视MOSFET的电压降，从而实现过流保护，同时，它也是上端MOSFET门极驱动的返回路径；

脚14（UGATE） 将其连到上端MOSFET的门极，提供门极驱动信号；

脚15（BOOT） 提供上端MOSFET的偏置电压；

脚16（PGND） 功率地，将下端MOSFET的源极接该脚；

脚17（LGATE） 将其连到下端MOSFET的门极，提供门极驱动信号；

脚18（VCC） 芯片工作电压输入；

脚19（OVP） 过压输出信号；

脚20（RT） 用来设置振荡器的开关频率。

2.2 工作原理

HIP6004E内部框图如图2所示。它由数模转换器，电压参考，误差放大器，振荡器，PWM比较器，软启动电路，过压、过流保护电路，门极控制逻辑电路，上电复位电路等部分组成。

图2 HIP6004E内部框图

上电后，HIP6004E自动进行初始化，无需特殊的加电顺序。POWER-ON（POR）实时监测芯片工作电压（V_cc）和变换器的输入电压（V_in），当两种电压都超过设定门槛值时，开始进行软启动过程。芯片内部的10μA电流源对接在脚3（SS）的软启动电容进行充电，脚3电压缓慢上升，并将误差放大器的输出电压（COMP）和参考电压（同相端输入）都钳位为脚3电压。当脚3电压上升到一定幅度时，与振荡器产生的三角波进行比较，产生PHASE脉冲对输出电容进行充电。当输出电压达到一定幅值后，参考电压开始控制输出电压。当脚3电压超过DACOUT电压后，输出电压进入调节过程。这种软启动方法使输出电压快速地，可控地上升。软启动过程结束后，进入正常运行状态，产生PWM波使上下端两个MOSFET交替导通，并通过电压反馈电路来维持输出电压的稳定。

3 DC/DC变换器的设计

基于HIP6004E的典型DC/DC变换器电路如图3所示，以下详细介绍设计过程。

图3 典型DC/DC变换器电路 3.1 开关频率设置

HIP6004E的开关频率在50kHz～1MHz内可调节，自由振荡频率为200kHz。在实际应用中，调节开关频率主要是考虑，高开关频率可以使用较小容量的输出滤波电感和电容。

当脚20（RT）对地接一个电阻时，开关频率将增大，开关频率由式（1）决定。

f_s=200kHz＋ （1）

当脚20对脚18（VCC）接一个电阻时，开关频率将减小，开关频率由式（2）决定。

f_s=200kHz－ （2）

3.2 输出电压编程

HIP6004E变换器的输出电压可在DC1.050～1.825V范围内精确调节，变化幅度每档为25mV。通过5个VID管脚对内部的DAC进行编程，可对输出电压进行精确的控制。编程表如表1所示。当管脚与地相连时编码为0；通过上拉电阻与VCC相连或悬空时编码为1。也可接受5位TTL电平信号进行编程。

表1 输出电压编程表