关于转换器设计与IC额定负载能力的区别和应用

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上周就有这样一个案例，一位朋友在使用RT6224A完成5V转4V的应用时遇到了负载能力达不到器件能力的问题，他通过微信平台与我们联络，我在询问了各方面的状况以后给了他一些建议，虽然最后仍因设计上的不足不能达到器件的最大能力，但已经能满足他现在的实际需要了。如果你在工作中也遇到了类似的问题，你也可以像这位朋友一样来利用我们，我们对这样的利用是很开心的，因为这说明我们是有利用价值的。下面我就以此案为例为你分享一些设计中需要注意的问题，希望能对你的工作和学习有所帮助。

要好好利用规格书

如果不是因为这位朋友提问，我可能永远不知道RT6224A是一款输入电压范围为4.3V-18V、负载能力3A、最大占空比为90%的ACOT架构Buck转换器，但是一旦查阅资料知道这些信息，我们就知道用它实现5V转4V、最大负载为2.5A的应用是可行的。如果还处在选型阶段，我们在这个时候可能要关心的重点就是它具有什么样的保护特性、是否支持轻载高效的工作模式以及是否可控等等。

电源器件的规格书通常都会给出电路参考设计图，有时还会给出不同工作条件下的元件参数，RT6224A所给出来的这些资料是这样的：

在本案中，输出电压为4V，上述表格中没有给出与之对应的参数建议，但我们可以将3.3V和5V输出两种情况下的参数做一个折中后进行选择。

按照通常的设计方法，我们可能会按照工作条件进行参数的计算，这时候会预先定义一个电感电流纹波指标，然后再据此计算出电感量，RT6224A的规格书也给出了这部分内容，我们的朋友由此方法得到的电感量是2.2μH，这比推荐的参数要小很多。比较小的电感量所带来的问题，首先是电感电流纹波会较大，电流的峰值较高，相应的电感发热会加重，既降低效率又容易饱和，饱和又会直接加大电感电流纹波，甚至可能直接损坏电感和IC；其次是输出电压纹波会变大，对负载没有好处；影响反馈回路的稳定性；可能直接触发IC的过流保护机制，从而进入过流保护状态。

上图表格下方的注解是需要注意的，它在强调电容的有效值，它会随着直流偏置的变化而变化。本案中的输出电压为4V，这对电容量的影响也不会小。电容量的变化与交流偏置也直接有关，读者可在我们的历史消息里查看相关的内容。

在本案中，我们的朋友在将电感换为4.7μH的以后，电流负载能力从原来的1.5A左右提高到了2.5A左右，虽然没有达到器件额定能力，但已经能满足应用的需要了。

规格书的应用说明部分是很重要的，使用者应当认真阅读。在RT6224A规格书的应用说明部分就给出了所有电路参数的计算方法，另外还给出来了其他的一些指引，如建议在输入电压低于5.5V时增加额外的自举电容充电电路：

实际上，像这样的电路在输入电压比较低、占空比比较低时都应该加入，我觉得尤以占空比较高时为重要。在本案中，输入电压只有5V，占空比高达90%，加入这样的电路就更有必要了。自举电容的作用是为上桥驱动器供电并在上桥开关打开时将上桥驱动器的电压随开关节点电压的提升而同步提升，使上桥能够持续处于导通状态，如果其储能不足，开关的导通程度就会受影响，从而导致电路效率的下降。由于自举电容只能在下桥导通的时间段里才会被充电，所以占空比对充电时间、效果的影响是很大的。

一款器件如果很特别，那些特别之处通常也会在应用说明部分进行说明，读者一定要对此部分加以特别的关注，把能够预防的问题提前考虑到。

要在PCB设计上下功夫

在本案中，即使已经按照建议参数选择了器件，外加的自举电容充电电路也加上了，还增加了前馈电容，IC的负载能力仍旧不能达成额定指标，PCB设计上的限制很明显。

上图是本案实际的PCB设计图照片，其中存在几个问题：

1，输入、输出电容之间的GND和黑框处的IC的GND端没有形成有效的短而粗的连接，我甚至看不出来它们之间是如何连接的，那么实际工作中的电流回路就是混乱的，IC的工作会受到大量不当信号的干扰，EMI问题不能得到有效解决。好在这只是一个系统验证板，只要能工作，目的就可以实现了，正常的设计可不能这样玩。

2，反馈信号的取样点位于电感上，它所取得的信号未经输出电容滤波，因而存在严重的纹波干扰，控制回路很难正常工作。正常的取样点应该位于输出电容上靠近负载一侧，本图中应位于红色Vout字串上方。

3，注明为SW的开关节点面积过大，这里由于处于输入电压和GND电压的交替变换中，过大的面积很容易就通过电容耦合的方式将干扰信号传递出去，后期的EMC测试很难通过，设计上应该将它最小化、最短化。

现在的电子工程师是很幸福的，做电路设计时有大量的资料可供参考，甚至可以做到拿来就用，但PCB是一定要自己设计的，它是实际的物理过程发生的载体，如果忽略了基本的物理特性进行设计，很多问题就会在后期表现出来。所以，有所追求的工程师应该将基本的理论用起来，让它们在设计过程中起到引领的作用，把能够预防的问题预先排除掉，让电路的性能得到最优化，自己的功夫也会在此过程中得到不断的提升。

说完了问题，再给大家推荐一款很特别的Buck转换器——RT5705，它的控制架构是HCOT，也就是将滞回式和COT控制结合在一起的一种控制架构，这种方式所带来的好处是器件自身的静态耗电非常低，只有600nA，这样的数据已经低于大部分线性稳压器了，是一个非常出色的水平（我没有用“卓越”这个词，是因为我已经看到耗电更低的型号了，以后再向大家介绍）。由于RT5705的输入电压范围是2.2V-5.5V，输出电压是1.8V-3.3V，负载能力为1A，还含有一个负载开关可以用于局部供电的控制，因而非常适合电池供电的低功耗设备使用。

RT5705的输出电压范围为1.8V-3.3V，但要选定它的输出电压却不是依靠不同的型号，也不使用反馈电阻，只需要在使用时将不同的电压选择端子接到Vin或GND上即可，因而只用一个型号即可满足所有的输出电压应用需求，对于库存管理绝对是个好消息，下图是把它放在系统中应用时的电路示意图：