深入解析FAN53730：高性能3A恒导通时间降压调节器

在电子设备的电源管理领域，高效、稳定且功能丰富的降压调节器一直是工程师们追求的目标。今天，我们就来详细探讨一款由安森美（onsemi）推出的优秀产品——FAN53730 3A恒导通时间（COT）降压调节器。

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产品概述

FAN53730是一款支持最小3A负载电流的恒导通时间（COT）降压转换器。其独特的COT拓扑结构，凭借可变频率操作，实现了最快的瞬态恢复和最佳的负载效率。该产品提供两种可选版本：I²C控制版本和逻辑控制版本（引脚可选输出电压），且两者都具备自动DCM/CCM模式操作和强制CCM控制功能。

典型应用电路

简化框图

关键特性

电气性能

• 宽输入电压范围：支持2.3V至5.5V的输入电压，能适应多种电源环境。
• 可编程输出电压：输出电压可在0.3V至2V之间进行编程，还提供引脚可选的默认值，满足不同应用需求。
• 低静态电流：仅12μA的低静态电流，有助于降低系统功耗。
• 高频开关：在连续导通操作中，开关频率可达2.5MHz，可减小外部元件尺寸。
• 故障保护：具备输入欠压、短路、过流和热保护等多种故障保护功能，保障系统稳定运行。
• 电源良好输出（PG）：方便系统监控输出电压状态。

其他特性

• 强制连续导通模式（FCCM）：可通过I²C或引脚控制，适用于对噪声敏感的应用场景。
• 音频降噪模式：通过I²C启用，可消除开关产生的可听音调。
• 宽工作温度范围：能在 -40°C至 +85°C的环境温度下正常工作。

应用领域

FAN53730适用于多种应用场景，如LPDDR内存、移动和智能设备以及RF模块等，为这些设备提供稳定可靠的电源供应。

工作原理

恒导通时间（COT）操作

当输出电压偏离调节范围时，输入功率开关开启固定的导通时间（tON），使电感电流上升。在tON结束时，输入开关关闭，低端同步FET开启，将电感中的能量释放到输出端。如果电感电流在负载使输出电压偏离调节范围之前降至0，输入FET和同步FET都将关闭，设备进入空闲状态，直到输出电压低于调节目标，开关动作再次启动。这种工作方式在轻负载时实现了可变频率操作，而在重负载时则接近恒定开关频率。

效率优化

由于采用了负载相关的可变频率操作，FAN53730仅在必要时进行开关操作，从而有效降低了轻负载时的开关损耗，实现了最佳的负载效率。不过，当启用强制CCM（FCCM）模式时，轻负载效率会因开关损耗增加而显著降低。

低功耗模式

在低输出电流条件下，设备会进入低功耗状态，此时输入FET和同步FET都关闭，以降低静态电流。

功能详解

使能输入

使能输入（EN）为高电平时，设备处于激活状态，输出电压开始调节；为低电平时，设备进入低功耗关断模式。在I²C控制版本中，还需将ENABLE（REG 06h[0]）位设置为1才能启用设备。

软启动

FAN53730内置软启动功能，可在启动时将输出电压从0缓慢升至目标电压，从而限制启动时的高输入浪涌电流。软启动斜坡与动态电压缩放（DVS）使用相同的斜坡，但不能通过DVS_EN（Reg 06h [4]）位禁用。

电源良好输出（PG）

PG是一个开漏输出，当输出电压上升到调节目标的93%以上且输出电压斜坡完成时，PG变为有效。只要输出启用、输出电压高于目标的93%且未检测到故障，PG将保持有效。

输出下拉

在关断和故障超时期间，输出具有100Ω的下拉电阻，可通过OUT_DISCHARGE（Reg06h[3]）位禁用。

欠压锁定（UVLO）

当输入电压低于UVLO下降阈值时，设备将触发UVLO事件并关断；当输入电压上升到UVLO上升阈值以上时，设备才会退出关断状态。

谷值电流限制

在CCM操作中，FAN53730会调节电感电流的谷值，以保持输出电压稳定。当负载电流增加到电感谷值电流达到IVALLEY时，控制环路将被钳位在该谷值电流限制阈值，输出电压可能会下降。对于逻辑控制版本，IVALLEY固定；对于I²C控制版本，IVALLEY可编程。

音频降噪模式

I²C控制版本具备音频降噪模式（ARM），通过设置ARM_EN（Reg 06h [5]）= 1启用。该模式可将开关频率保持在编程的目标频率以上，消除陶瓷电容中因电场变化产生的可听噪声。

动态电压缩放（DVS）

I²C控制版本支持动态电压缩放模式，可根据新的目标输出电压对输出电压进行控制调整。输出电压的调节速率（斜坡率）可通过RR_DVS（Reg 02h [4:2]）进行编程。

强制连续导通模式（FCCM）

FCCM模式可禁用零交叉检测，允许电感电流在轻负载条件下反向导通，使设备在所有负载下连续开关。I²C控制版本通过FORCE_CCM（Reg 06h [1]）位控制，逻辑控制版本通过专用引脚FCCM控制。

电压选择输入（VSEL）

VSEL是一个逻辑输入，可在两个目标电压之间切换输出电压。在逻辑控制版本中，VSEL为高电平时，输出电压切换到固定的VSET2水平；为低电平时，切换到VSET1目标。在I²C控制版本中，VSET1和VSET2目标可编程。

偏置模式

I²C控制版本提供三种可编程偏置模式选项，可在长时间SW空闲期间禁用不常用的内部逻辑块，以降低设备的静态电流。

保护功能

FAN53730具备四种故障模式保护，包括VIN UVLO故障、电流限制故障、输出短路故障和热故障。当发生故障时，设备将进入故障状态并关断。默认情况下，故障发生后转换器会在20ms后自动重启，可通过FAULT_SHDN（Reg 03h [3]）位禁用此功能。

寄存器映射

FAN53730的I²C接口通过一系列寄存器进行配置和控制，这些寄存器涵盖了故障标志、配置、输出电压设置、使能等多个方面。详细的寄存器映射和操作说明可参考数据手册中的相关表格。

应用电路设计

典型应用电路

典型应用电路中，需要选择合适的输入电容、电感和输出电容。输入电容应选择低ESR的陶瓷电容，并尽可能靠近IN和GND引脚放置，以减少输入电压的纹波。电感的选择应根据所需的电感饱和和最大电流额定值来确定，以支持负载电流。输出电容应选择足够的容量和低ESR，以确保输出电压的稳定性和低纹波。

布局注意事项

在PCB布局时，要特别注意输入电容、电感和输出电容的放置位置。输入电容应靠近IN和GND引脚，以减少寄生电感和高频电压尖峰。电感应靠近SW引脚，以减少寄生电容和提高效率。输出电容应靠近电感和GND连接，以减少输出电压的纹波。

总结

FAN53730是一款功能强大、性能出色的降压调节器，具有宽输入电压范围、可编程输出电压、低静态电流、多种保护功能等优点。其丰富的特性和灵活的配置选项，使其适用于多种应用场景。在设计过程中，工程师需要根据具体应用需求，合理选择器件参数和进行PCB布局，以充分发挥FAN53730的性能优势。你在使用这款产品的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。