深入剖析AP61200/AP61201/AP61202/AP61203同步降压转换器

在电子设计领域，电源管理芯片的选择至关重要，它直接影响着整个系统的性能和稳定性。今天，我们就来深入探讨一下DIODES公司的AP61200/AP61201/AP61202/AP61203系列同步降压转换器，看看它有哪些独特之处。

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一、产品概述

AP61200/AP61201/AP61202/AP61203是一款输入电压范围为2.3V至5.5V、输出电流可达2A的同步降压转换器。它将一个110mΩ的高端功率MOSFET和一个80mΩ的低端功率MOSFET完全集成在一起，能够提供高效的降压DC - DC转换。该系列采用了恒定导通时间（COT）控制，减少了外部元件数量，实现了快速瞬态响应、易于环路稳定和低输出电压纹波，并且采用SOT563封装。

二、产品特性

2.1 电气特性

• 宽输入输出范围：输入电压范围为2.3V至5.5V，输出电压范围为0.6V至3.6V，能适应多种电源和负载需求。
• 大电流输出：可提供2A的连续输出电流，满足大多数中小功率设备的供电要求。
• 低静态电流：在脉冲频率调制（PFM）模式下，静态电流低至19μA，有助于降低系统功耗。
• 高开关频率：在(VIN = 5V)、(VOUT = 1.8V)时，开关频率为1.3MHz，有利于减小外部电感和电容的尺寸。
• 高效率：在5mA轻载条件下，效率可达89%，提高了能源利用率。

2.2 工作模式

• 脉冲频率调制（PFM）：AP61200和AP61202在轻载条件下进入PFM模式，自动降低开关频率，以提高轻载效率。
• 强制脉冲宽度调制（PWM）：AP61201和AP61203采用强制PWM模式，适用于对输出纹波要求较高的场合。

2.3 保护功能

• 欠压锁定（UVLO）：当输入电压低于1.84V时，芯片关闭，保护芯片免受低电压影响。
• 过压保护（OVP）：输入电压高于6.3V时，芯片关闭，防止过压损坏。
• 过流保护（OCP）：具有逐周期谷值电流限制和峰值电流限制保护，当电流过大时，及时关闭功率MOSFET。
• 热关断（TSD）：当结温达到160°C时，芯片关闭，温度降低到130°C时恢复正常工作。

2.4 其他特性

• 电源良好指示（PG）：AP61202和AP61203具有开漏电源良好输出，方便监测输出电压是否在规定范围内。
• 环保特性：完全无铅，符合RoHS标准，无卤素和锑，是“绿色”器件。

三、引脚说明

引脚名称	引脚编号	功能
FB	1	输出电压反馈感测端子，连接到输出电阻分压器。
GND	2	电源地。
VIN	3	电源输入，需用2.3V至5.5V电源驱动，并通过一个合适的大电容旁路到地以消除噪声。
SW	4	功率开关输出，连接输出LC滤波器到输出负载。
EN	5	使能输入，高电平开启调节器，低电平关闭。
OUT（AP61200/AP61201）	6	输出电压电源轨，可连接到输出负载，也可悬空，但需使用前馈电容。
PG（AP61202/AP61203）	6	电源良好指示，输出电压超出调节范围或软启动时拉低。

四、工作原理

4.1 脉冲宽度调制（PWM）操作

在每个周期开始时，单触发脉冲将高端功率MOSFET Q1开启一个固定的导通时间(t{ON})，导通时间与输入电压成反比，与输出电压成正比，计算公式为(t{ON}=frac{VOUT}{VIN cdot f{SW}})。导通时间结束后，进入关断时间(t{OFF})，当反馈电压低于参考电压时，新的周期开始。

4.2 脉冲频率调制（PFM）操作

AP61200/AP61202在轻载条件下进入PFM模式，自动降低开关频率以提高效率。当输出电流减小，电感电流最终达到0A时，进入不连续导通模式（DCM），此时Q1和Q2都关闭，负载电流仅由输出电容提供。当(VFB)低于0.6V时，下一个周期开始，Q1开启。

五、应用设计要点

5.1 输出电压设置

可通过外部电阻分压器来调节输出电压，R2可由公式(R2=frac{0.6 cdot R1}{VOUT - 0.6V})计算得出。文档中给出了不同输出电压下推荐的电阻值，工程师可根据实际需求选择。

5.2 电感选择

电感值的计算是设计降压转换器的关键，可使用公式(L=frac{VOUT cdot(VIN - VOUT)}{VIN cdot Delta I{L} cdot f{SW}})计算，其中(Delta I{L})选择为最大负载电流2A的30%至50%。电感的峰值电流(I{L{PEAK}}=I{LOAD}+frac{Delta I_{L}}{2})，应选择饱和电流额定值合适的电感，一般推荐1.0µH至1.5µH、直流电流额定值比最大负载电流高至少35%的电感，且直流电阻小于50mΩ。

5.3 输入电容选择

输入电容用于减少从输入电源汲取的浪涌电流和器件的开关噪声，应选择低ESR的电解电容或陶瓷电容，如10µF或更大的陶瓷电容，以满足大多数应用需求。输入电容的RMS电流额定值应高于RMS输入电流，一般选择RMS电流额定值大于最大负载电流一半的电容。

5.4 输出电容选择

输出电容用于保持输出电压纹波小、确保反馈环路稳定以及减少负载瞬变时输出电压的过冲和下冲。输出电容的有效电容(COUT)可根据公式计算，应选择电容值大、ESR低的电容，如10µF至22µF的陶瓷电容。同时，为满足负载瞬变要求，(COUT)应满足不等式(COUT > max(frac{L cdot I{Trans}^{2}}{Delta V{Overshoot} cdot VOUT}, frac{L cdot I{Trans}^{2}}{Delta V{Undershoot} cdot(VIN - VOUT)}))。

六、PCB布局建议

• 散热考虑：由于该系列可提供2A的负载电流，散热是PCB布局的主要关注点，建议顶层和底层使用2oz铜。
• 元件放置：输入电容应尽可能靠近VIN和GND；电感应靠近SW；输出电容应靠近GND；反馈元件应靠近FB。
• 过孔添加：在GND引脚周围和GND平面下方、VIN引脚周围和VIN平面下方添加尽可能多的过孔，以利于散热。

七、总结

AP61200/AP61201/AP61202/AP61203系列同步降压转换器具有宽输入输出范围、高电流输出、低功耗、高效率和多种保护功能等优点，适用于5V分布式电源总线供电、白色家电、FPGA、DSP、ASIC供电、网络摄像机、无线路由器和消费电子等多种应用场景。在设计过程中，合理选择外部元件和进行PCB布局，能够充分发挥该系列芯片的性能，为电子设备提供稳定可靠的电源。各位工程师在实际应用中，不妨多尝试这款芯片，看看它能为你的设计带来怎样的惊喜。