探索ADP1872/ADP1873：高性能同步降壓控制器的技術(shù)剖析與應(yīng)用指南

在電子工程領(lǐng)域，電源管理芯片的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。ADP1872/ADP1873作為Analog Devices推出的多功能電流模式同步降壓控制器，憑借其卓越的性能和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，成為了眾多工程師的首選。本文將深入剖析ADP1872/ADP1873的技術(shù)特點(diǎn)、工作原理以及應(yīng)用設(shè)計(jì)，為電子工程師提供全面的參考。

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一、ADP1872/ADP1873概述

1.1 產(chǎn)品特性

ADP1872/ADP1873具有一系列令人矚目的特性，使其在電源管理領(lǐng)域脫穎而出。它支持2.75V至20V的寬輸入電壓范圍，偏置電源電壓范圍為2.75V至5.5V，最低輸出電壓可達(dá)0.6V，并且提供±1.0%精度的0.6V參考電壓。此外，該控制器支持全N溝道MOSFET功率級(jí)，提供300kHz、600kHz和1.0MHz三種頻率選項(xiàng)，無(wú)需電流檢測(cè)電阻，還具備輕載節(jié)能模式（PSM，僅ADP1873）、電阻可編程電流檢測(cè)增益、熱過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)、精密使能輸入以及集成自舉二極管等功能。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

ADP1872/ADP1873適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，包括電信和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、中高端服務(wù)器、機(jī)頂盒以及DSP核心電源等。其廣泛的適用性使得它在不同的電子設(shè)備中都能發(fā)揮重要作用。

二、技術(shù)原理與工作模式

2.1 工作原理

ADP1872/ADP1873采用恒定導(dǎo)通時(shí)間、偽固定頻率和可編程電流檢測(cè)增益的電流控制方案，結(jié)合谷底電流模式控制架構(gòu)，能夠提供出色的瞬態(tài)響應(yīng)、最佳穩(wěn)定性和電流限制保護(hù)。在啟動(dòng)過(guò)程中，控制器會(huì)對(duì)電流檢測(cè)放大器、電流檢測(cè)增益電路、軟啟動(dòng)電路和誤差放大器進(jìn)行偏置，通過(guò)軟啟動(dòng)序列使輸出電壓以受控方式上升。

2.2 軟啟動(dòng)

該控制器具備數(shù)字軟啟動(dòng)電路，通過(guò)計(jì)數(shù)器在每個(gè)周期內(nèi)通過(guò)固定內(nèi)部電容器以1μA的增量增加電流，從而限制從高電壓輸入電源到輸出的浪涌電流。

2.3 精密使能電路

ADP1872/ADP1873采用精密使能電路，使能閾值典型值為285mV，具有35mV的遲滯。當(dāng)COMP/EN引腳釋放時(shí)，誤差放大器輸出上升超過(guò)使能閾值，設(shè)備被啟用；接地該引腳則禁用設(shè)備，將電源電流降低至約140μA。

2.4 欠壓鎖定（UVLO）

UVLO功能可防止器件在極低或未定義的輸入電壓（VDD）范圍內(nèi)工作，避免信號(hào)錯(cuò)誤傳播到高端功率開關(guān)，從而保護(hù)輸出設(shè)備免受損壞。UVLO電平設(shè)定為2.65V（標(biāo)稱值）。

2.5 熱關(guān)斷

熱關(guān)斷是一種自我保護(hù)功能，當(dāng)器件的結(jié)溫超過(guò)155°C時(shí)，器件進(jìn)入熱關(guān)斷狀態(tài)，關(guān)閉上下側(cè)MOSFET并禁用整個(gè)控制器，以降低IC的功耗。當(dāng)結(jié)溫冷卻至低于140°C時(shí)，器件恢復(fù)工作。

2.6 編程電阻（RES）檢測(cè)電路

啟動(dòng)時(shí)，RES檢測(cè)電路首先激活，通過(guò)在DRVL輸出施加0.4V參考值，識(shí)別四種可能的電阻值（47kΩ、22kΩ、開路和100kΩ），并通過(guò)內(nèi)部ADC輸出2位數(shù)字代碼，為電流檢測(cè)放大器編程四種不同的增益配置。

2.7 谷底電流限制設(shè)置

ADP1872/ADP1873基于谷底電流模式控制，電流限制由下側(cè)MOSFET的RON、誤差放大器輸出電壓擺幅（COMP）和電流檢測(cè)增益三個(gè)因素決定。通過(guò)合理選擇編程電阻（RES），可以設(shè)置適當(dāng)?shù)碾娏鳈z測(cè)增益，以滿足不同應(yīng)用的需求。

2.8 短路時(shí)的打嗝模式

當(dāng)檢測(cè)到32次電流限制違規(guī)時(shí)，控制器進(jìn)入空閑模式，關(guān)閉MOSFET 6ms，讓轉(zhuǎn)換器冷卻，然后重新啟動(dòng)軟啟動(dòng)過(guò)程。如果違規(guī)仍然存在，將重復(fù)空閑事件和全芯片掉電序列，直到違規(guī)消失。

2.9 同步整流

ADP1872/ADP1873采用內(nèi)部下側(cè)MOSFET驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)外部上下側(cè)MOSFET，同步整流不僅提高了整體傳導(dǎo)效率，還確保了上側(cè)驅(qū)動(dòng)器輸入處的自舉電容器得到適當(dāng)充電，減少了開關(guān)損耗。

2.10 節(jié)能模式（PSM）版本（ADP1873）

ADP1873在輕載到中載電流時(shí)以不連續(xù)傳導(dǎo)模式（DCM）運(yùn)行并進(jìn)行脈沖跳躍，輸出必要的脈沖以維持輸出調(diào)節(jié)。通過(guò)板載零交叉比較器，當(dāng)電感電流接近零電流線時(shí)，關(guān)閉所有上下側(cè)開關(guān)活動(dòng)，進(jìn)入空閑模式，從而提高輕載時(shí)的系統(tǒng)效率。

2.11 定時(shí)器操作

ADP1872/ADP1873采用恒定導(dǎo)通時(shí)間架構(gòu)，通過(guò)感測(cè)高輸入電壓（VIN）和輸出電壓（VOUT），生成與VIN成反比的導(dǎo)通時(shí)間（ton）脈沖，使開關(guān)頻率幾乎獨(dú)立于VIN和VOUT，實(shí)現(xiàn)偽固定頻率控制。

2.12 偽固定頻率

在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，開關(guān)頻率保持相對(duì)恒定。在負(fù)載瞬變期間，頻率會(huì)瞬間變化，以更快地使輸出回到調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。負(fù)載增加時(shí)，開關(guān)頻率增加；負(fù)載減少時(shí)，開關(guān)頻率降低，從而實(shí)現(xiàn)更好的負(fù)載瞬態(tài)性能。

三、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 反饋電阻分壓器

根據(jù)內(nèi)部帶隙參考電壓（VREF = 0.6V），可以確定所需的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)特定的輸出電壓。通過(guò)選擇合適的RT和RB值，可以確定轉(zhuǎn)換器的最小輸出負(fù)載電流。

3.2 電感選擇

電感值與電感紋波電流成反比，可根據(jù)所需的紋波電流和開關(guān)頻率計(jì)算電感值。選擇電感時(shí)，應(yīng)確保其飽和額定值高于峰值電流水平，并計(jì)算電感電流紋波。

3.3 輸出紋波電壓

輸出紋波電壓是直流輸出電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)的交流分量，可根據(jù)所需的紋波誤差計(jì)算輸出電容值。

3.4 輸出電容選擇

輸出電容的主要作用是降低輸出電壓紋波，并在負(fù)載瞬變事件中協(xié)助輸出電壓恢復(fù)?？筛鶕?jù)負(fù)載電流階躍和輸出電壓紋波要求計(jì)算輸出電容值。

3.5 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

由于ADP1872/ADP1873采用電流模式架構(gòu)，需要Type II補(bǔ)償。通過(guò)分析轉(zhuǎn)換器在單位增益頻率下的整體環(huán)路增益，可以確定補(bǔ)償所需的電阻和電容值。

3.6 效率考慮

在構(gòu)建直流-直流轉(zhuǎn)換器時(shí)，效率是一個(gè)重要的考慮因素。需要考慮MOSFET的參數(shù)（如VGS(TH)、RDS(ON)、QG、CN1和CN2）以及外部組件在正常開關(guān)操作中的損耗（如通道傳導(dǎo)損耗、MOSFET驅(qū)動(dòng)器損耗、MOSFET開關(guān)損耗、體二極管傳導(dǎo)損耗和電感損耗）。

3.7 輸入電容選擇

選擇輸入電容的目標(biāo)是減少輸入電壓紋波和高頻源阻抗，以實(shí)現(xiàn)可預(yù)測(cè)的環(huán)路穩(wěn)定性和瞬態(tài)性能。建議使用多層陶瓷電容器（MLCC）并聯(lián)，以降低輸入電壓紋波幅度。

3.8 熱考慮

由于ADP1872/ADP1873用于高電流應(yīng)用，需要謹(jǐn)慎考慮外部上下側(cè)MOSFET的散熱問題，以確保結(jié)溫不超過(guò)125°C?？筛鶕?jù)器件的熱阻和功率損耗計(jì)算結(jié)溫。

四、設(shè)計(jì)示例

以一個(gè)具體的設(shè)計(jì)示例來(lái)說(shuō)明ADP1872/ADP1873的應(yīng)用設(shè)計(jì)過(guò)程。假設(shè)設(shè)計(jì)要求為VOUT = 1.8V，ILOAD = 15A（脈沖），VIN = 12V（典型），fsw = 300kHz。

4.1 輸入電容

計(jì)算最大輸入電壓紋波和最小輸入電容要求，選擇合適的輸入電容。

4.2 電感

確定電感紋波電流幅度，計(jì)算電感值，并選擇合適的電感。

4.3 電流限制編程

計(jì)算谷底電流，選擇合適的編程電阻（RES）以設(shè)置電流檢測(cè)增益。

4.4 輸出電容

根據(jù)負(fù)載階躍和輸出電壓偏差要求，計(jì)算輸出電容值，并選擇合適的輸出電容。

4.5 反饋電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

選擇合適的RB值，計(jì)算RT值。

4.6 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

計(jì)算補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)所需的電阻和電容值。

4.7 損耗計(jì)算

計(jì)算各種損耗，包括通道傳導(dǎo)損耗、體二極管傳導(dǎo)損耗、MOSFET開關(guān)損耗、MOSFET驅(qū)動(dòng)器損耗、輸出電容損耗和電感損耗。

五、外部組件推薦

提供了不同頻率和輸入輸出條件下的外部組件推薦值，包括輸入電容、輸出電容、電感、補(bǔ)償電阻和電容等，方便工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)參考。

六、布局考慮

PCB布局對(duì)直流-直流轉(zhuǎn)換器的性能至關(guān)重要。優(yōu)化敏感模擬和功率組件的布局可以最小化輸出紋波、保持嚴(yán)格的調(diào)節(jié)規(guī)格，并減少PWM抖動(dòng)和電磁干擾。具體布局要點(diǎn)包括：

6.1 電壓和電流路徑配置

VIN、PGND和VOUT跡線應(yīng)盡可能寬，并可能復(fù)制到多個(gè)層。過(guò)孔應(yīng)主要分布在輸入和輸出電容器的正負(fù)極、Q1/Q2的源極、Q3/Q4的漏極以及電感周圍。

6.2 敏感模擬組件

敏感模擬組件應(yīng)遠(yuǎn)離嘈雜的功率部分，使用單獨(dú)的模擬接地平面，并將所有敏感模擬組件的負(fù)極連接到該平面。

6.3 旁路電容

在VDD引腳和PGND引腳之間直接安裝1μF旁路電容，在VDD引腳和GND引腳之間連接0.1μF電容。

6.4 功率部分

將VIN平面放在左側(cè)，輸出平面放在右側(cè)，主功率接地平面放在中間，以最小化電流突然停止時(shí)的磁通變化面積。

6.5 SW節(jié)點(diǎn)

SW節(jié)點(diǎn)應(yīng)使用盡可能小的面積，并遠(yuǎn)離敏感模擬電路和組件。在可能的情況下，將該焊盤復(fù)制到第2層和第3層以進(jìn)行熱釋放，并消除SW節(jié)點(diǎn)平面下方的其他電壓和電流路徑。

6.6 差分傳感

在谷底電流模式控制下，對(duì)下側(cè)MOSFET的漏極和源極進(jìn)行差分電壓讀取，連接線路應(yīng)盡可能窄，并遠(yuǎn)離其他有源設(shè)備或電壓/電流路徑。同時(shí)，在最外側(cè)輸出電容器和反饋電阻分壓器之間也應(yīng)應(yīng)用差分傳感。

七、典型應(yīng)用電路

提供了多種典型應(yīng)用電路，包括雙輸入300kHz高電流應(yīng)用電路、單輸入600kHz應(yīng)用電路等，為工程師提供了實(shí)際設(shè)計(jì)的參考。

八、總結(jié)

ADP1872/ADP1873作為一款高性能的同步降壓控制器，具有豐富的功能和出色的性能。通過(guò)深入了解其技術(shù)原理和應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)，工程師可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出高效、穩(wěn)定的電源管理系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要根據(jù)具體需求進(jìn)行合理的組件選擇和布局設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)的最佳性能。希望本文能為電子工程師在ADP1872/ADP1873的應(yīng)用設(shè)計(jì)中提供有價(jià)值的參考。

你在使用ADP1872/ADP1873的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問題？或者你對(duì)其應(yīng)用設(shè)計(jì)有什么獨(dú)特的見解？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。