AP61300/AP61302：高效同步降压转换器的深度剖析与应用指南

在电子工程师的日常设计工作中，选择一款合适的降压转换器至关重要。今天，我们就来详细探讨一下AP61300/AP61302这款3A同步降压转换器，看看它有哪些特性和优势，以及如何在实际设计中应用它。

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一、产品概述

AP61300/AP61302是一款输入电压范围为2.4V至5.5V的3A同步降压转换器。它集成了70mΩ的高端功率MOSFET和50mΩ的低端功率MOSFET，能够提供高效的降压DC - DC转换。采用恒定导通时间（COT）控制，不仅减少了外部元件数量，还实现了快速瞬态响应、易于环路稳定和低输出电压纹波的特点。该器件采用SOT563封装，方便在不同的电路板上进行布局。

二、产品特性

1. 电压与电流参数

• 输入电压（VIN）：2.4V至5.5V，适应多种电源输入场景。
• 输出电压（VOUT）：0.6V至3.6V，可根据不同的负载需求进行调整。
• 连续输出电流：3A，能够满足大多数中等功率负载的需求。
• 参考电压：0.6V ± 2%，保证了输出电压的稳定性和准确性。

2. 低功耗与高频特性

• 低静态电流：在脉冲频率调制（PFM）模式下，静态电流仅为19μA，有助于降低系统功耗。
• 开关频率：在VIN = 5V，VOUT = 1.8V时，开关频率为2.2MHz，高频特性使得可以使用更小的外部电感和电容。

3. 高效与多模式运行

• 轻载效率：在5mA轻载条件下，效率高达84%，提高了系统在轻载时的能源利用率。
• 可编程操作模式：通过EN引脚可以编程选择PFM、PWM或低压差（LDO）模式，以适应不同的负载情况。

4. 保护功能

• 欠压锁定（UVLO）：当输入电压低于2.2V时，器件自动关闭，保护芯片免受低电压损害。
• 过压保护（OVP）：输入电压超过6.3V时，器件关闭，防止过压损坏。
• 峰值电流限制和谷值电流限制：分别限制高端和低端功率MOSFET的电流，避免过流损坏。
• 热关断：当结温达到160°C时，器件自动关闭，保护芯片不受过热影响。

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，连接到输出的电阻分压器。
GND	2	电源地。
VIN	3	电源输入，需用2.4V至5.5V电源驱动，并通过合适的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，还可用于编程操作模式。
OUT (AP61300)	6	输出电压电源轨，连接到输出负载。
PG (AP61302)		电源良好输出，开漏输出，输出电压超出调节范围或软启动时拉低。

四、工作模式

1. 脉冲宽度调制（PWM）模式

在PWM模式下，AP61300/AP61302采用恒定导通时间控制。每个周期开始时，高端功率MOSFET（Q1）导通一个固定的导通时间tON，其计算公式为$t{ON}=frac{VOUT}{VIN cdot f{sw}}$。Q1导通时，电感电流线性上升，为输出电容充电；Q1关断后，低端功率MOSFET（Q2）导通，当输出电压低于调节值时，Q2关断，然后Q1再次导通。

2. 脉冲频率调制（PFM）模式

在轻载条件下，AP61300/AP61302可进入PFM模式以提高效率。此时，调节器自动降低开关频率。当电感电流IL降至0A时，进入不连续导通模式（DCM），Q1和Q2均关断，负载电流由输出电容提供。当VFB低于0.6V时，下一个周期开始，Q1导通。在5mA负载条件下，PFM模式可实现高达84%的功率效率。轻载与重载的转换点可通过公式$I{LOAD}=left(frac{VIN - VOUT}{2L}right) cdot t{ON}$计算。

五、应用设计要点

1. 输出电压设置

通过外部电阻分压器可以调整输出电压，R2的计算公式为$R2=frac{0.6 cdot R1}{VOUT - 0.6V}$。表1给出了常见输出电压下的推荐元件选择。

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$L=frac{VOUT cdot (VIN - VOUT)}{VIN cdot Delta I{L} cdot f{sw}}$，其中$Delta I{L}$选择为最大负载电流3A的30%至50%。电感峰值电流$I{L{PEAK}}=I{LOAD}+frac{Delta I_{L}}{2}$，为保证转换器效率，应选择饱和电流额定值合适、直流电阻小于30mΩ的电感，一般推荐0.47µH至2.2µH，直流电流额定值比最大负载电流高至少35%的电感。

3. 输入电容

输入电容用于减少从输入电源汲取的浪涌电流和器件产生的开关噪声。应选择具有低等效串联电阻（ESR）和较高RMS电流额定值的电容，一般选择RMS电流额定值大于最大负载电流一半的电容，大多数应用中使用10µF或更大的陶瓷电容即可。

4. 输出电容

输出电容用于保持输出电压纹波小，确保反馈环路稳定，并在负载瞬变时提供或吸收电流。输出电压纹波可通过公式$VOUT{Ripple}=Delta I{L} cdot left(ESR+frac{1}{8 cdot f{sw} cdot COUT}right)$计算。为满足负载瞬变要求，输出电容应满足不等式$COUT > maxleft(frac{L cdot I{Trans}^{2}}{Delta V{Overshoot} cdot VOUT}, frac{L cdot I{Trans}^{2}}{Delta V_{Undershoot} cdot (VIN - VOUT)}right)$。大多数应用中，使用总电容为22µF的陶瓷电容即可。

六、PCB布局

由于AP61300/AP61302工作在3A负载电流下，PCB布局时散热是主要考虑因素。建议使用2oz铜的顶层和底层，将输入电容尽可能靠近VIN和GND放置，电感靠近SW放置，输出电容靠近GND放置，反馈组件靠近FB放置。如果使用四层或更多层电路板，至少将第2层和第3层作为接地层以提高散热性能。同时，在GND引脚和VIN引脚周围添加尽可能多的过孔以促进散热。

七、总结

AP61300/AP61302是一款性能出色的同步降压转换器，具有宽输入电压范围、高效转换、多种操作模式和完善的保护功能。在实际设计中，合理选择外部元件和进行PCB布局，能够充分发挥其优势，满足不同应用场景的需求。电子工程师们在设计电源模块时，可以考虑将其作为一个不错的选择。大家在使用AP61300/AP61302的过程中，有没有遇到过什么问题或者有什么独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享。