一顆干掉8個(gè)外圍元件的電源芯片，非隔離輔助電源的設(shè)計(jì)困局有解了

做硬件的工程師都有過(guò)這樣的經(jīng)歷：項(xiàng)目臨近收尾，客戶突然要求在控制板上加一路12V輔助電源，給繼電器、WiFi模塊或RS485接口供電。功率不大，400mA足夠，但要求體積小、成本低、不能有噪聲，最好別改動(dòng)現(xiàn)有PCB尺寸。

翻開(kāi)工模方案庫(kù)，要么是阻容降壓——效率低、發(fā)熱大、不安全，過(guò)不了安規(guī)；要么用反激——變壓器占地方，光耦和431基準(zhǔn)又增加BOM；用常規(guī)高壓Buck控制器？得配VCC電容、啟動(dòng)電阻、反饋分壓電阻、環(huán)路補(bǔ)償RC、電流采樣電阻……算下來(lái)外圍至少12個(gè)元件。

有沒(méi)有更省事的辦法？嘉泰姆電子有一顆名為CXAC85284P的芯片，把能省的元件全省了。它不僅內(nèi)置了650V高壓MOSFET和電流采樣，連VCC儲(chǔ)能電容和輸出電壓采樣電阻都做到了封裝內(nèi)部，外圍只剩下電感、續(xù)流二極管、輸出電容和一顆反饋二極管。換句話說(shuō)，一顆芯片替代了傳統(tǒng)方案里至少8個(gè)外圍元件。下面聊聊這顆芯片具體是怎么一回事，以及它在實(shí)際工程中到底好不好用。

VCC電容內(nèi)置：解決的不只是少顆料的問(wèn)題

用過(guò)高壓Buck控制器的工程師都知道，外置VCC電容選型是個(gè)讓人頭疼的事。選大了，啟動(dòng)時(shí)間拉長(zhǎng)，客戶體驗(yàn)差；選小了，掉電保持不夠，輔助繞組建立之前VCC已經(jīng)跌到UVLO以下，芯片不斷重啟。更要命的是MLCC電容在直流偏壓下容量會(huì)大幅下降——一顆標(biāo)稱4.7μF的X7R電容，在10V偏壓下可能只剩2μF出頭。如果你的啟動(dòng)閾值是16V，充電電流240μA，理論啟動(dòng)時(shí)間約280ms，實(shí)際因?yàn)槿萘靠s水可能只有120ms，剛好卡在臨界點(diǎn)上。

CXAC85284P把VCC電容做進(jìn)了硅片內(nèi)部，容值對(duì)電壓和溫度的依賴遠(yuǎn)低于外置MLCC。啟動(dòng)時(shí)序一致性高，批量生產(chǎn)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)個(gè)別板子啟動(dòng)失敗的問(wèn)題。而且內(nèi)部電容與LDO、鉗位保護(hù)緊密耦合，ESR極低，沒(méi)有走線寄生電感。這意味著在雷擊浪涌測(cè)試中，VCC引腳的過(guò)沖風(fēng)險(xiǎn)比外置方案低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

還有一個(gè)容易被忽視的好處：省掉VCC電容后，PCB上少了一個(gè)高壓走線節(jié)點(diǎn)。VCC電容通常跨接在VCC和GND之間，GND是功率動(dòng)點(diǎn)，VCC是敏感模擬電源，二者之間需要一定的爬電間距。少了一個(gè)元件，等于少了一處安規(guī)隱患。

自供電能量從哪來(lái)？不是靠電阻發(fā)熱

傳統(tǒng)方案里，如果不想用外置啟動(dòng)電阻，就得用高壓恒流源從母線取電對(duì)VCC電容充電。啟動(dòng)完成后，如果還靠恒流源供電，效率會(huì)大打折扣——300V母線、6.4V VCC，線性壓降高達(dá)293V，就算電流只有300μA，也有88mW的靜態(tài)損耗，這在空載時(shí)是巨大的浪費(fèi)。

CXAC85284P的自供電思路不同。它在MOSFET關(guān)斷期間從SW引腳抽取能量。關(guān)斷瞬間，電感續(xù)流，漏極電壓被鉗位在母線電壓加輸出反射電壓，這個(gè)高壓平臺(tái)恰好給內(nèi)部LDO提供了能量來(lái)源。關(guān)鍵點(diǎn)在于，這個(gè)能量來(lái)自于電感儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能，不是從母線直接線性取電。負(fù)載越重，電感儲(chǔ)存的能量越多，關(guān)斷期間可抽取的能量也越多；輕載時(shí)電感電流峰值自動(dòng)降低到180mA，漏感能量大幅減少，自供電抽取的能量也隨之減少。這種“按需取電”的機(jī)制，讓空載待機(jī)功耗遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)高壓LDO方案。

三段式調(diào)制：為何音頻噪聲這個(gè)坎它能跨過(guò)去

非隔離Buck方案里，電感磁芯噪聲是工程師反復(fù)遇到的老問(wèn)題。根源在于磁致伸縮——電感電流的交流分量在磁芯中產(chǎn)生交變磁通，磁芯尺寸的微小變化耦合到空氣中形成聲波。如果這個(gè)交變頻率落在20Hz~20kHz的人耳敏感區(qū)，用戶就會(huì)聽(tīng)到“滋滋”聲。

CXAC85284P的控制策略是分三段處理：

重載段（22~45kHz）：限流點(diǎn)固定在600mA，頻率隨負(fù)載線性變化。這個(gè)頻率遠(yuǎn)超音頻區(qū)，不存在噪聲問(wèn)題。

中載段（22kHz鉗定）：當(dāng)負(fù)載減輕，頻率降到了22kHz，芯片不再繼續(xù)降頻，而是將頻率鎖死，轉(zhuǎn)而去削減峰值電流——從600mA一直降到180mA。22kHz是精心選擇的工作點(diǎn)，剛好高于大多數(shù)人耳的聽(tīng)閾上限。電感電流的基波頻率停在音頻區(qū)外，磁芯噪聲需要傳導(dǎo)到機(jī)械結(jié)構(gòu)才能被人感知，而實(shí)際上這個(gè)頻率的機(jī)械耦合效率極低。

輕載段（0.5~22kHz）：當(dāng)峰值電流已經(jīng)降到了最低的180mA，無(wú)法再降，芯片重新回到降頻模式。此時(shí)頻率雖進(jìn)入了音頻區(qū)，但電感峰值電流已經(jīng)極?。?80mA），磁通密度擺幅僅有滿載時(shí)的30%。磁致伸縮的幅度與磁通密度的平方近似成正比，因此輕載下的機(jī)械振動(dòng)能量只有滿載的9%左右，即使頻率在1kHz，產(chǎn)生的聲壓級(jí)也遠(yuǎn)低于環(huán)境底噪，人耳完全察覺(jué)不到。

這個(gè)三段式策略的巧妙之處，在于它不依賴任何外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來(lái)調(diào)節(jié)，完全由芯片內(nèi)部狀態(tài)機(jī)根據(jù)FB電壓自動(dòng)切換。工程師不需要關(guān)心穿越頻率、相位裕量這些環(huán)路穩(wěn)定性問(wèn)題，芯片已經(jīng)替你解決了。

保護(hù)功能：每個(gè)工程師都遇到過(guò)的問(wèn)題

在實(shí)際產(chǎn)品中，可靠性往往比性能更重要。CXAC85284P內(nèi)置的保護(hù)機(jī)制覆蓋了幾種常見(jiàn)的故障場(chǎng)景：

輸出短路。啟動(dòng)階段，如果FB電壓在256個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)無(wú)法上升到2.3V以上，芯片判定輸出短路，立即停止開(kāi)關(guān)，0.5秒后自動(dòng)嘗試重啟。這個(gè)延遲很短，短路期間的MOSFET溫升有限，不會(huì)損壞器件。即使你把FB引腳用鑷子直接短到GND，芯片也不會(huì)燒。

輸出過(guò)載。正常工作期間，如果輸出電流超過(guò)額定值，F(xiàn)B電壓會(huì)持續(xù)偏低。一旦FB低于6.4V持續(xù)1024個(gè)周期，觸發(fā)過(guò)載保護(hù)。這個(gè)閾值對(duì)應(yīng)的輸出電壓大約是設(shè)定值的50%左右，說(shuō)明負(fù)載已經(jīng)嚴(yán)重超限。

反饋開(kāi)路。FB引腳懸空時(shí)，內(nèi)部比較器檢測(cè)到異常狀態(tài)，同樣觸發(fā)保護(hù)。這點(diǎn)在生產(chǎn)線上很有用——如果插件工漏焊了反饋二極管，上電后芯片不會(huì)失控輸出高壓，而是打嗝保護(hù)，避免燒毀后級(jí)電路。

過(guò)溫保護(hù)。結(jié)溫145℃關(guān)斷，降到105℃恢復(fù)。40℃的遲滯窗口設(shè)置得很寬，這樣芯片不會(huì)在臨界溫度點(diǎn)頻繁啟動(dòng)停止，整體的平均溫度被壓得比較低。

所有這些保護(hù)共用一個(gè)FB引腳作為檢測(cè)端口，響應(yīng)全由硬件狀態(tài)機(jī)完成，沒(méi)有軟件參與，不存在跑飛的風(fēng)險(xiǎn)。

實(shí)例演算：12V/300mA的設(shè)計(jì)參數(shù)怎么定

以一個(gè)具體的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，輸入85~265VAC全電壓，輸出12V/300mA，Buck拓?fù)洹?/p>

電感。最大限流值下限540mA，負(fù)載300mA，因?yàn)?00>0.5×540=270，所以必須按CCM模式設(shè)計(jì)。取開(kāi)關(guān)頻率35kHz（12V輸出推薦值），續(xù)流管壓降0.7V，MOSFET導(dǎo)通壓降約0.3A×13Ω≈4V。最惡劣工況是最高輸入電壓，265VAC峰值374V。代入CCM電感公式算下來(lái)，最小電感約0.91mH。再考慮空載約束（消隱時(shí)間240ns要能控住電流）和續(xù)流約束（7μs的最小續(xù)流時(shí)間保證采樣正常），最終選取1.0mH標(biāo)準(zhǔn)電感，取1.1倍裕量用1.1mH。

續(xù)流二極管。必須用trr≤35ns的超快恢復(fù)管，如ES1J。不能省這個(gè)錢(qián)用普通管，否則反向恢復(fù)電流會(huì)把內(nèi)部MOSFET拖入過(guò)流失效。

輸出電容。紋波主要由電容ESR貢獻(xiàn)。如果要求紋波小于120mV，ESR需要小于0.2Ω。220μF/16V的低ESR電解電容（ESR約0.15Ω）足夠。如果后端接了射頻模塊或傳感器，建議再并聯(lián)一顆0.1μF陶瓷電容濾除高頻毛刺。

假負(fù)載。空載時(shí)芯片最低頻率500Hz，電感峰值電流約217mA，經(jīng)過(guò)計(jì)算平均消耗約0.96mA。實(shí)際選取10kΩ假負(fù)載電阻，消耗約1.2mA，留些裕量。加上芯片本身靜態(tài)電流，總空載功耗大約在二三十毫瓦量級(jí)。

電路的極簡(jiǎn)之美

回頭再看整個(gè)方案的BOM：一顆芯片、一個(gè)電感、一個(gè)續(xù)流二極管、一個(gè)輸出電解電容、一個(gè)反饋二極管、一個(gè)假負(fù)載電阻，再加輸入端的保險(xiǎn)絲和整流橋?？偣膊坏?0個(gè)物料，占用PCB面積和一包煙差不多。對(duì)于正在被BOM成本和PCB空間困擾的工程師來(lái)說(shuō)，這種極簡(jiǎn)方案的吸引力恐怕不言自明。

審核編輯 黃宇