稳压器

本文由ADI代理商骏龙科技工程师讲解如何利用LTC1871 升压型开关稳压器的仿真电路来检查开关波形,并观察寄生电感变化时的 PCB 布局。

使用理想模型进行仿真

ADI LTC1871 开关稳压器是一款异步升压型转换器,其输出端采用了一个外部 MOSFET 和肖特基二极管,它的 SPICE 模型可用于构建一个输入电压为 1(V)、输出电压为 12(V) 和负载电流为 24(A) 的升压转换器,如下图 (图1) 所示。接下来开始运行仿真以观察每个终端的波形。

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图1 LTC1871 升压型转换器电路


LTC1871 开关稳压器仿真结果

仿真结果如下图 (图2) 所示,从顶部开始分别为:输出波形、SENSE 引脚波形、第 I 个引脚波形、GATE (BG) 引脚波形和开关 (SW) 节点波形。从波形来看它是稳定的,控制引脚 Ith 上的信号是干净的,SENSE 引脚的电压尖峰正常上升,并且开关节点是没有电压尖峰的。但是实际上这个波形与仿真的波形完全不同,开关节点可能会遇到过冲并且 GATE 引脚下冲的情况,这或许会超过 GATE 引脚的最大规格,同样开关节点也可能会下冲并高于最大额定值。在实际应用中,这些情况的不仅会发生,并且可能会因 PCB 布局而加剧。

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图2 LTC1871 开关稳压器仿真结果


电路板寄生电感变化时的反应

在实际电路中存在寄生元件,例如寄生电感。寄生电感是由元件几何形状和 PCB 布局引起的,由于电流压摆率非常高,与 MOSFET、二极管和输出电容器串联的寄生电感可能存在一些问题,例如高压摆率的电流在这些寄生电感中会产生大电压。如下图 (图3) 红框部分所示为具有附加寄生电感的升压转换器电路,在该电路中首先需要将寄生电感添加到控制器的 GND 引脚,红框以外的寄生电感可省略,因为它们在这次仿真中并不重要。

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图3 增加寄生电感的升压转换器电路


寄生电感对输出波形的影响

接下来可以查看仿真结果,如下图 (图4) 所示。从图中可以观察受电感影响的输出波形,可以看到有大量的高频振铃。其中第一级的第 I 个控制引脚和第二级的 SENSE 引脚上存在电压尖峰,这些电压尖峰可能会影响到控制器。此外第三级控制器的 PGND 上也有振铃,它会在外部组件和控制器的 GND 之间产生电压差。第四级 GATE 驱动引脚也出现过多振铃,这个振铃可以被有效利用,但它也有可能因为超过栅极引脚的最大额定值并导致故障。

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图4 受电感影响的输出波形

通过下图 (图5) 中的放大输出波形图,可以比较直观地看到寄生电感的变化,其中主要问题点是超过控制器引脚的最大额定值。需要注意的是,栅极驱动器的引脚受到振铃的影响后也可能会导致电路问题,所以为了尽量减少这些问题,必须将寄生电感降至最低。在仿真过程中首先需要注意功率 MOSFET 和输出电容器选择低寄生电感的组件,外部功率 MOSFET (IPP052N06L3) 采用 TO-220 和 TO-263 封装,TO-220 封装具有一个约 13mm 长的源极引脚,TO-263 型封装具有一个约 4mm 长的源极引脚。仅考虑长度,TO-220 封装的寄生电感可能比 TO-263 型大 3 倍以上。

为了最小化输出电容器的电感,建议选择表面贴装陶瓷电容器,而不是带引线端子的电容器。此外通过并联陶瓷电容器,可显著降低等效串联电感,为了降低寄生电感,功率 MOSFET、二极管和输出电容应尽可能靠近放置,并用粗短接线连接。

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图5 放大输出波形


总结

本文通过理想电路仿真,说明了LTC1871自身的 GND 和外部组件 GND 可以达到均衡,然而在现实中,电路会受各个元件和 PCB 的寄生电感的影响而导致电位摆动,并且从仿真波形图可以看到这些寄生电感效应会导致电源 IC 发生故障。

来源:亚德诺半导体

免责声明:本文为转载文章,转载此文目的在于传递更多信息,版权归原作者所有。本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题,请联系小编进行处理(联系邮箱:cathy@eetrend.com)。

围观 12

本文由ADI代理商骏龙科技工程师通过介绍理想电路和实际电路仿真,回顾开关波形,检查 PCB 布局,并使用理想的仿真模型,以确认当稳压器的开关频率较高时可使用的电子元件。

01、设置电感和输出电容器常数

DC/DC 转换器的开关频率通常在 300~500KHz 之间,但逐渐流行开关频率为 1~2MHz 的产品,有些可达到 4MHz 或更高。高频 DC/DC 转换器能够减小输出电容和电感的尺寸以节省电路板空间,这是小型便携类产品的基本功能,但它们却很难在较高的开关频率下达到更低的电压。

这次我们将使用 ADI LTspice 创建一个理想电路并验证其工作。如下图 (图1) 所示,使用电路构建输入电压为 6(V)、输出电压为 12(V)、负载电流为 10(A) 的升压转换器。使用该理想电路时,观察当开关频率为 2MHz 和 400KHz 时,计算并比较所用电感和输出电容的常数值变化幅度,之后可以检查当电路随计算常数移动时是否能够获得相同的特性。

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图1 升压转换器电路

02、选择电感器

在计算电感值前需要先计算 Duty 比,可参考使用下图 (图2) 所示公式。其中 Vo 为输出电压,VIN 为输入电压,VD 为二极管正向电压。

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图2 Duty 比计算公式

接下来计算开关频率为 2MHz 的电感 (L1) 和开关频率为 400KHz 的电感 (L2)。计算公式如下图 (图3) 所示,其中 ΔIL 为负载电流的 40%。当开关频率为 2MHz 时,电感值约为 1/5,电感器的匝数减少。由此可见,高开关频率的优点是可以选择电感外形较小的元件。

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图3 电感计算公式

03、选择输出电容

随后使用下图 (图4) 所示公式,计算输出电容值,这里的 ESR 指的是输出电容的 ESR,而输出电容由可接受的输出纹波值决定。 

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图4  输出纹波电压计算公式

这次我们将模拟理想状态下升压转换器的电路,将 ESR 为零的公式展开,可得出求输出电容公式,如下图 (图5) 所示:

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图5 输出电容电容计算公式

根据公式计算了开关频率为 2MHz(Cout1) 的输出电容和400KHz(Cout2) 的输出电容,Cout1=18μF,Cout2=92μF,因此开关频率越高,电容越小。接下来可以通过仿真来检查计算出的电感器和输出电容器是否可以获得所需的输出电压。

04、使用 LTspice 进行操作检查

接下来通过 LTspice 验证使用上图 (图1) 中理想升压转换器电路中计算的电感和输出电容、在 2MHz 和 400KHz 的开关频率下是否可获得 12V 输出以及纹波电压是否相同。

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图6 开关频率为 2MHz 和 4MHz 的升压稳压器电路

如下图 (图7) 所示为输出电压仿真,其中红色 (Vout1) 为开关频率为 2MHz 的结果,在 12V 输出电压下纹波约为 149mV,蓝色 (Vout2) 为开关频率为 400KHz 的结果,在 11.95V 输出电压下纹波约为 145mV。从这些结果可以看出,所选的电感器和输出电容器没有问题,并且在具有高开关频率的稳压器的情况下,可以选择附近使用的电感器和电容器等小元件。

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图7  输出电压波形图

但是需要检查如下图 (图8) 所示的各种电流波形,蓝色电感电流具有低压摆率的特点,易于利用输入电容进行滤波。可以看出流过红色开关的电流和流过绿色输出电容的电流是具有快速压摆率的 PWM 电流波形,这种快速压摆率电流的 PCB 布局必须是经过仔细设计的。此次出于仿真目的,我们对 2MHz 和 400KHz 使用相同的压摆率进行仿真,但是在真实设备上,400MHz 的压摆率可能会比 2KHz 时更快。

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图8 各种电流波形

05、总结

本文通过仿真实验,说明当处理稳压器开关频率越高,稳压器中使用的相互作用器和电容器的尺寸就越小。然而高开关频率也伴随着挑战,例如开关损耗增加、高开关节点压摆率和高电流压摆率,也很难找到合适的  MOSFET。MOSFET 必须具有足够低的导通电阻,以最大限度地降低导通损耗并实现快速开关。PCB 上元件的放置和布线应考虑 PCB 的寄生电感,敏感节点不应允许噪声传播。

来源:亚德诺半导体

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东芝电子元件及存储装置株式会社(“东芝”)今日宣布,推出新TCR1HF系列LDO稳压器的前三款产品——“TCR1HF18B”、“TCR1HF33B”和“TCR1HF50B”,分别提供1.8V、3.3V和5.0V的输出电压。该系列稳压器可提供高电压、宽输入电压范围及业界最低[1]的待机电流消耗。三款器件于今日开始支持批量出货。

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在使用具有LDO稳压器的电源电路时,为了降低电子产品在待机模式下的功耗,需要将电源直接连接到LDO稳压器上,并通过关闭内部电路来降低功耗。

新产品支持4V至36V的宽输入电压范围,使其可连接至用于USB-PD的4V至20V电源[2]乃至24V电源。

此外,它们还具有堪称业界最低[1]的1μA(典型值)的待机电流消耗,支持电子设备以非常低的功耗保持待机运行。与此同时,-60mV/+50mV(典型值)的快速负载瞬态响应,可确保产品从待机状态转换到工作状态的电流突变期间能够提供稳定的输出电压。

使用新产品的参考设计“电源多路复用器电路”现已发布。

未来,东芝将继续扩展TCR1HF系列产品线,增加具有不同功能或输出电压值的产品,以满足不同应用的需求。

1:负载瞬态特性

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2:电源多路复用器电路模块板及简易方框图

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应用

-    消费类电子产品/个人设备(手机、笔记本电脑、家用电器等)

-    工业设备

特性

-    宽范围输入电压:VIN4V36V

-    低电流消耗:IBON1μA(典型值)

-    最大额定输出电流:IOUT150mA

-    快速负载瞬态响应:VOUT-60mV+50mV(典型值)(IOUT0mA10mA

-    通用SOT-25(SMV)封装

主要规格

器件型号

TCR1HF18B

TCR1HF33B

TCR1HF50B

封装

名称

SOT-25(SMV)

尺寸典型值(mm

2.8×2.9,厚度=1.1

工作范围

输入电压VINV

4至36

工作温度Topr

-40至125

电气特性

(除非另有

说明,

Tj25

输出电压VOUT典型值(V

1.8

3.3

5.0

输出电压精度VOUT%

IOUT10mA

±1

静态电流IBON典型值(μA

IOUT0mA

1

待机电流IB(OFF1)典型值(μA

VIN4V

0.24

负载瞬态响应

VOUT

典型值(mV

IOUT0mA→10mA

-60

IOUT10mA→0mA

50

热关机阈值TSDH

Tj升高

155


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注:

[1]与相同额定值的LDO稳压器的待机电流进行比较,截至2023年5月的东芝调查。

[2] USB-PD(USB Power Delivery):一种快速充电标准,使用USB可提供最高100W的功率。

如需了解有关新产品的更多信息,请访问以下网址:

TCR1HF18B

https://toshiba-semicon-storage.com/cn/semiconductor/product/power-management-ics/low-dropout-regulators-ldo-regulators/detail.TCR1HF18B.html

TCR1HF33B

https://toshiba-semicon-storage.com/cn/semiconductor/product/power-management-ics/low-dropout-regulators-ldo-regulators/detail.TCR1HF33B.html

TCR1HF50B

https://toshiba-semicon-storage.com/cn/semiconductor/product/power-management-ics/low-dropout-regulators-ldo-regulators/detail.TCR1HF50B.html

如需了解使用新产品参考设计的更多相关内容,请访问以下网址

电源多路复用器电路

https://toshiba-semicon-storage.com/cn/semiconductor/design-development/referencedesign/detail.RD221.html

如需了解有关新产品在线分销商网站的供货情况,请访问以下网址

TCR1HF18B

https://toshiba-semicon-storage.com/cn/semiconductor/where-to-buy/stockcheck.TCR1HF18B.html

TCR1HF33B

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TCR1HF50B

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关于东芝电子元件及存储装置株式会社

东芝电子元件及存储装置株式会社是先进的半导体和存储解决方案的领先供应商,公司累积了半个多世纪的经验和创新,为客户和合作伙伴提供分立半导体、系统LSI和HDD领域的杰出解决方案。

公司22,200名员工遍布世界各地,致力于实现产品价值的最大化,东芝电子元件及存储装置株式会社十分注重与客户的密切协作,旨在促进价值共创,共同开拓新市场,公司现已拥有超过8,598亿日元(62亿美元)的年销售额,期待为世界各地的人们建设更美好的未来并做出贡献。

如需了解有关东芝电子元件及存储装置株式会社的更多信息,请访问以下网址:https://toshiba-semicon-storage.com

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全新ZVS 升降压稳压器的工作温度可低至-55°C,适用于恶劣环境的应用

广泛适用于计算、通信、工业、汽车等领域

2020年3月11日,北京讯,美国电源厂商Vicor宣布推出 PI3740 ZVS 升降压稳压器,支持 -55°C 至 +115°C 的更大工作温度范围并可选锡铅 BGA 封装。PI3740 是一款高密度、高效率的升降压稳压器,支持 8 至 60V 的输入电压范围以及 10 至 50V 的输出电压。该器件不仅可在 10x14 毫米的 SiP 封装中提供高达 140W 的功率,而且还能够与其它器件并联,实现更大的功率传输。此外,ZVS 开关拓扑还可实现高达 96% 的效率。

ZVS 架构在最大限度降低开关损耗、最大限度提高效率的同时,还可实现高频率工作。高开关频率工作可缩小外部滤波组件的尺寸,提高功率密度,并可为线路瞬态及负载瞬态实现快速响应。

PI3740-00 需要一个外部电感器、电阻分压器和最少的电容器来构成一个完整的 DC-DC 开关模式升降压稳压器。

该产品广泛用于以下应用:
• 电池充电及调节、电信、网络、照明
• 计算、通信、工业、汽车配件
• 12、24、48 及 60V DC–DC 应用



了解 Vicor PI3740 系列 更多详情:http://www.vicorpower.cn/zh-cn/dc-dc_converters_board_mount/zvs_buck-boo...

关于 Vicor 公司

Vicor公司利用系列专利技术组合,设计、开发、制造和销售模块化电源组件和完整的电源系统。公司总部设在马萨诸塞州的安多弗,其产品销往电源系统市场,包括企业和高性能计算、工业设备和自动化、电信和网络基础设施、车辆和运输、航空航天和国防。 www.vicorpower.com

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片上稳压器和片外稳压器的利弊权衡

demi的头像

随着对移动计算和手持设备的需求日益增长,系统设计从分立器件转向高度集成的系统级芯片(SoC),同时后端服务器需要更快的计算处理能力,以满足不断增长的数据处理需求。这就要求更复杂的电源管理方案,稳压器在其中扮演了关键角色,因此如何置放稳压器对于提高性能至关重要。

英飞凌科技股份公司推出最新的集成负载点电源产品(IPOL)系列,结合了易用性与高功率密度优势。这是业界首款具备PMBUS、SVID和PVID功能的全集成稳压器,用于为英特尔CPU ,小电流POL、芯片组和ASIC/FPGA供电。它可以比传统分立电源解决方案节省50%的空间,是同类产品中尺寸最小的解决方案。

业界首款支持SVID和PVID的数字全集成稳压器

IR38163/5和IR38363/5专门用于为英特尔Vccio和Vcmp以及需要支持SVID的英特尔芯片的服务器供电。这些器件不需要编程,因为它们已经是根据英特尔要求和特定的数字地址预先配置好的。

IR38263/5具备3位并联VID(PVID),用于为英特尔芯片组PVNN和FPGA供电。它非常适合需要定频运行的电信应用场合,以及需要大量PMBus、精确Vout和超低纹波的网络通信 和存储应用场合。

该IPOL器件产品系列运用最新的OptiMOS™ 5技术,因此有着鲜明的的效率优势。此外,小型7 mm x 7 mm PQFN Cu-clip封装使器件在高频下的工作电流达到30 A,同时不需要很强的风扇来散热。管脚兼容选项支持带或者不带PMBus支持功能。该产品系列采用英飞凌业界一流的PWM引擎,实现超低纹波和频率抖动。它们能最大限度降噪并增加带宽,同时较之其他设计方案需要更少的电容。差分电压采样、宽margining范围和0.5 %的参考电压精度,这些特征在一起共同实现了1%的输出电压精度。

英飞凌提供端到端企业应用电源产品和全面解决方案,这主要包括智能数字控制器和高性能的IPOL以及集成功率单元。

供货

样品现已开始供货并且该器件已经量产。了解更多信息,敬请访问:www.infineon.com/optimos_digital_ipol

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