RAA211403 和 RAA211405：高效低功耗降压调节器的应用与设计指南

在电子设计领域，电源管理芯片的性能直接影响到整个系统的稳定性和效率。RAA211403 和 RAA211405 作为瑞萨电子推出的 40V、300mA、超低静态电流（$I_{Q}$）的 DC/DC 降压调节器，凭借其出色的性能和丰富的保护功能，在众多应用场景中展现出了强大的竞争力。

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产品概述

RAA211403 和 RAA211405 是超小型、易于使用的降压调节器，输入电压范围为 7V 至 40V，最大输出电流可达 300mA。其中，RAA211403 的固定输出电压为 3.3V，而 RAA211405 的输出电压为 5V。这两款芯片采用 TSOT23 - 5 封装，具有超低的静态电流，在 40V 输入、无负载开关条件下，$I{Q}$ 仅为 4µA；在 40V 输入、无负载且无开关条件下，$I{Q}$ 为 2.5µA。此外，它们还提供了全面的保护功能，包括 $V{IN}$ 欠压锁定（UVLO）、$V{OUT}$ 过压保护（OVP）、过流保护和过温保护等。

典型应用电路

RAA211403 典型应用电路

其典型 BOM 如下：	Reference Designator	Description	Manufacturer	Manufacturer Part Number
L	COIL - PWR Inductor, SMD, 3mm, 15pH, 20%, 1.71A, 720mΩ DCR, WW, ROHS	Wurth	74438335150
$C_{IN}$	Multilayer Cap, SMD, 0805, 4.7uF, 10%, 50V	Samsung	CL21A475KBQNNNE
R	Thick Film Chip Resistor, SMD, 0603, 1M, 1%, 1/10W	Generic	Various
D	1A 60V Low Vf Schottky Barrier Rectifier, SOD323F	Panjit	MBR1060HEWS_R1_00001
$C_{OUT}$	Multilayer Cap, SMD, 0603, 22uF, 20%, 6.3V	Generic	Various

RAA211405 典型应用电路

其典型 BOM 如下：	Reference Designator	Description	Manufacturer	Manufacturer Part Number
L	COIL - PWR Inductor, SMD, 3mm, 10pH, 20%, 2A 446mΩ DCR, WW, ROHS	Wurth	74438335100
$C_{IN}$	Multilayer Cap, SMD, 0805, 4.7pF, 10%, 50V	Samsung	CL21A475KBQNNNE
R	Thick Film Chip Resistor, SMD, 0603, 1M, 1%, 1/10W	Generic	Various
D	1A 60V Low Vf Schottky Barrier Rectifier, SOD323F	Panjit	MBR1060HEWS_R1_00001
$C_{OUT}$	Mutilayer Cap, SMD, 0603, 22pF, 20%, 6.3V	Generic	Various

引脚信息

引脚分配

引脚描述

Pin Number	Pin Name	Description
1	$V_{OUT}$	连接到调节器的输出电压，启动并进入稳压状态后，该引脚也是 IC 的偏置电源。
2	GND	接地引脚。
3	EN	使能引脚，具有高电压耐受性，可直接连接到 $V_{IN}$ 或逻辑电压以实现启用和禁用，请勿悬空。
4	$V_{IN}$	IC 的电压输入，连接到集成 MOSFET 的源极和合适的电压源。
5	SW	开关节点引脚，是调节器的相位节点，连接到集成 MOSFET 的漏极，需连接到电感和二极管。

规格参数

绝对最大额定值

使用时需注意，不要长时间在接近或达到最大额定值的条件下运行，否则可能会影响产品的可靠性并导致故障。	Parameter	Minimum	Maximum	Unit
$V_{IN}$	-0.3	42	V
EN	-0.3	$V_{IN}$ + 0.3	V
SW	-0.3	$V_{IN}$ + 0.3	V
$V_{OUT}$	-0.3	7	V
SW, 20ns Transient	-6	$V_{IN}$ + 0.3	V
Operating Junction Temperature	-40	150	℃
Maximum Storage Temperature Range	-65	150	℃
Human Body Model (Tested per JS - 001 - 2017)		2	kV
Charged Device Model (Tested per JS - 002 - 2018)		1	kV
Latch - Up (Tested per JESD78E; Class 2, Level A)		100	mA

推荐工作条件

Parameter	Minimum	Maximum	Unit
Input Voltage, $V_{IN}$	7	40	V
Output Current, $I_{OUT}$	0	0.3	A
Junction Temperature, $T_{j}$	-40	+125	℃

热规格

Parameter	Package	Symbol	Conditions	Typical Value	Unit
Thermal Resistance	TSOT23 - 5	$theta_{JA}$	Junction to ambient	90	°C/W
$theta_{JA2}$	Junction to ambient	156
$theta_{JC}$	Junction to case	48

电气规格

Parameter	Symbol	Test Conditions	Min[1]	Typ	Max[1]	Unit
Supply Voltage
$V_{IN}$ Voltage Range	$V_{IN}$		7		40	V
$V_{IN}$ Quiescent Current	$I_{Q}$	EN = $V{IN}$ = 40V, $V{OUT}$ = 3.3V or 5V, no load operation, switching		4		µA
EN = $V{IN}$ = 40V, $V{OUT}$ > 3.3V or 5V, no load, no switching		2.5		µA
Shutdown Current	$I_{SH}$	EN = 0V, $V_{IN}$ = 24, no switching		0.1	1	µA
$V_{IN}$ Undervoltage Lockout		$V_{IN}$ rising	6.0	6.5	7	V
$V_{IN}$ Undervoltage Hysteresis				550		mV
Output Voltage
$V_{OUT}$ Valley Comparator Threshold	$V_{OUT}$	RAA211403, $V_{IN}$ = 12V, no load	3.2	3.3	3.4	V
RAA211405, $V_{IN}$ = 12V, no load	4.8	4.95	5.1	V
Overvoltage Protection	OVP	RAA211403		3.63		V
RAA211405		5.5		V
Enable Voltage
EN High Level Input Voltage	$V_{ENH}$		1.13	1.23	1.33	V
EN Hysteresis				75		mV
EN Leakage Current		EN = $V_{IN}$ = 40V		0		µA
Timer Control
Minimum On - Time	$t_{ON MIN}$	$V_{IN}$ = 12V		75		ns
Internal Integrated MOSFETs
On - Resistance	$R_{DS(ON)_H}$	$V_{IN}$ = 12V		1.0		Ω
Current Limit and Protection
Current Limit	$I_{LIM}$	$V_{IN}$ = 12V		0.750		A
Current Limit Prop Delay				50		ns
Thermal Shutdown	$T_{SD}$			160		℃
Thermal Hysteresis	$Delta T_{SD}$			20		℃

功能描述

工作原理

当输入电压和使能电压达到阈值时，调节器开始切换。它们使用固定电流参考来关闭 MOSFET，并使用输出电压谷值阈值来重新开启 MOSFET。输出电压通过内部反馈电阻在 $V{OUT}$ 引脚处被感测，并与 1.2V 的内部参考电压进行比较，以产生控制信号，决定何时开启 MOSFET。当电感电流达到零且输出电压降至固定的 $V{OUT}$ 阈值以下时，MOSFET 开启；当电感电流达到 750mA（典型值）的固定 $I{LIM}$ 电流阈值时，MOSFET 关闭。因此，调节器始终在不连续电流模式下运行，并且需要 $V{OUT}$ 纹波来使控制方案正常工作。

开关频率

开关频率可以通过改变电感值来编程，其工作频率取决于电感、输入电压和负载电流。由于特定输入电压下的峰值电流是固定的，开关频率与负载相关。每个开关周期内的电荷（或电流）是固定的，因此负载电流的增加会导致开关频率的增加。在输入 40V 时，无负载开关静态电流（$I_{Q}$）为 4µA。

峰值电流和传播延迟

调节器将电感峰值电流控制在 750mA（典型值），但由于电流传感器的传播延迟，峰值电流往往会高于 750mA，传播延迟通常为 50ns。可以使用以下公式近似计算实际峰值电流： $I{peak} = 0.750 + 50 × 10^{-9} × frac{(V{IN} - V_{OUT})}{L}$ 此外，调节器具有最小 MOSFET 导通时间，如果选择的电感值过小，可能会导致电流高于公式预测值。瑞萨建议最小电感值为 4.7µH 或更高。

软启动

RAA211403 和 RAA211405 具有自然的电流限制功能，在上电时会自动提供平滑上升的 $V{OUT}$ 电压。软启动时间大约由以下公式定义： $Soft - Start Time = V{OUT} × [frac{C{OUT}}{(frac{I{peak}}{2}) - I_{LOAD}}]$ 根据评估板的测试数据，不同电感值下的近似软启动时间如下：

RAA211403

Inductor (H)	Soft - Start Time (No Load) (µs)	Soft - Start Time (Full Load) (µs)
15	135	235
10	130	210
6.8	125	200
4.7	110	170

RAA211405

Inductor (H)	Soft - Start Time (No Load) (µs)	Soft - Start Time (Full Load) (µs)
15	210	370
10	190	360
6.8	180	285
4.7	175	265

欠压锁定

$V{IN}$ 引脚上的欠压锁定（UVLO）功能可防止调节器在输入电压超过 6.5V（典型值）之前启动。UVLO 阈值具有约 550mV 的迟滞，因此当 $V{IN}$ 下降到 6V（典型值）以下时，设备才会停止工作。迟滞功能可防止在 $V{IN}$ 非单调上升时器件在启动过程中关闭。建议尽量缩短从 $V{IN}$ 电源或上游输入电源到 IC 的电流路径长度，以防止在 $V_{IN}$ 开关过程中出现抖动。

使能控制

使能引脚（EN）拉高时，器件开启；拉低时，IC 关闭。EN 上升阈值电压为 1.2V（典型值），EN 迟滞为 75mV（典型值）。EN 引脚可以直接连接到 $V{IN}$ 以实现始终开启的操作，也可以通过电阻分压器连接 $V{IN}$ 来编程 $V_{IN}$ UVLO 阈值。

编程公式

• 计算电阻分压器比值：$frac{R{EN1}}{R{EN2}} = (frac{V_{INR} - 1.2}{1.2})$
• 计算器件关闭时的输入电压：$V{INF} = 1.125 × frac{R{EN1} + R{EN2}}{R{EN2}}$

过流保护（OCP）

RAA211403 和 RAA211405 具有内置的峰值电流保护功能，持续监测 MOSFET 电流，当峰值电流达到 750mA（典型