ADP1850：高性能DC - DC同步降压控制器的深度解析

引言

在电子设计领域，DC - DC转换器是电源管理的核心组件。ADP1850作为一款由Analog Devices推出的可配置双输出或两相单输出DC - DC同步降压控制器，以其卓越的性能和广泛的应用范围，成为众多工程师的首选。本文将深入剖析ADP1850的特性、工作原理、应用设计等方面，为电子工程师在实际设计中提供全面的参考。

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产品特性亮点

宽范围输入与输出

ADP1850具有2.75 V至20 V的宽输入电压范围，功率级输入电压范围为1 V至20 V，输出电压范围从0.6 V到最高90% (V_{IN}) ，每通道输出电流可超过25 A。这种宽范围的输入输出特性，使其能够适应各种不同的电源环境和负载需求。

精准电流共享与频率可编程

该控制器实现了通道间（交错）的精确电流共享，确保各通道负载均衡。同时，可编程频率范围为200 kHz至1.5 MHz，工程师可以根据具体应用场景灵活调整开关频率，优化系统性能。

集成与保护功能

ADP1850集成了升压二极管，减少了外部元件数量，降低了系统成本和复杂度。此外，它还具备多种保护功能，如过压、过流限制保护、热过载保护、输入欠压锁定（UVLO）等，有效提高了系统的可靠性和稳定性。

节能与精确控制

在轻负载情况下，ADP1850可进入节能模式（PSM），通过跳过脉冲和减少开关损耗来提高能源效率。同时，它具有精确的电源良好指示、电压跟踪能力和独立通道精确使能功能，为系统提供了精确的控制和监测。

工作原理剖析

控制架构

ADP1850基于固定频率、电流模式的PWM控制架构。在开关周期的关断期间，通过测量外部低端MOSFET (R_{DSON}) 上的电压降来感测电感电流（谷值电感电流）。电流感测信号经电流感测放大器处理后，输出被保持，模拟电流斜坡被复用并输入到PWM比较器中。

振荡器频率设置

内部振荡器频率范围为200 kHz至1.5 MHz，可通过外部电阻 (R{FREQ}) 在FREQ引脚进行设置。一些常见的 (f{sw}) 值可通过特定电阻实现，如78.7 kΩ电阻可将振荡器频率设置为800 kHz。对于未列出的频率，可通过经验公式 (R{FREQ}(kΩ)=96,568 × f{SW}(kHz)^{-1.065}) 计算 (R_{FREQ}) 的值。

工作模式

• 脉冲跳过模式（PSM）：当SYNC引脚接地或浮空时，ADP1850进入脉冲跳过模式。在轻负载时，控制器可跳过PWM脉冲，降低开关频率，维持高效率。
• 强制PWM模式：当SYNC引脚连接到VCCO或高逻辑电平时，ADP1850进入强制PWM模式。在该模式下，控制器在任何负载下都以连续导通模式（CCM）运行。

同步功能

ADP1850的开关频率可通过将SYNC引脚连接到时钟信号与外部时钟同步。外部时钟频率应在内部振荡器频率 (f_{sw}) 的1倍至2.3倍之间，同步后的开关频率为外部SYNC频率的一半。

应用设计要点

输出电压设置

通过从输出到FB的电阻分压器设置输出电压，将输出电压分压至0.6 V的FB调节电压，从而设置调节输出电压。输出电压最低可设置为0.6 V，最高可达电源输入电压的90%。

软启动设计

软启动周期由SS1/SS2与AGND之间的外部电容设置。当EN1/EN2使能时，6.5 µA的电流源开始对电容充电，当SS1/SS2电压达到0.6 V时，达到调节电压。软启动功能可限制输入浪涌电流，防止输出过冲。

电流限制设置

电流限制通过ILIMx与SWx之间的外部电流限制电阻 (R{ILIM}) 设置。电流感测引脚ILIMx向该外部电阻提供标称50 μA的电流，当低端MOSFET (R{DSON}) 上的压降等于或大于该偏移电压时，ADP1850触发电流限制事件。

斜率补偿与电流感测增益设置

• 斜率补偿：在电流模式控制拓扑中，斜率补偿用于防止电感电流的次谐波振荡，维持稳定输出。通过在RAMPx与输入电压之间连接电阻 (R_{RAMP}) 实现外部斜率补偿。
• 电流感测增益：外部低端MOSFET上的电压降由电流感测放大器感测，通过连接到DLx引脚的外部电阻 (R_{CSG}) 可将增益设置为3 V/V、6 V/V、12 V/V或24 V/V。

元件选择

• 输入电容：输入电容需具有足够的纹波电流额定值和低ESR，以处理输入纹波和减轻输入电压纹波。通常使用两个并联电容，一个大容量电容和一个10 μF陶瓷去耦电容。
• 电感：选择电感值使电感纹波电流在最大直流输出负载电流的20%至40%之间，同时确保电感的饱和电流远高于特定设计的峰值电感电流。
• 输出电容：选择输出电容以设置所需的输出电压纹波，考虑电容的ESR、ESL和纹波电流额定值。在负载阶跃瞬变时，输出电容需满足电压下垂和过冲要求。
• MOSFET：选择低导通电阻和低栅极电荷的MOSFET，以降低I²R损耗和过渡损耗。同时，MOSFET应具有低热阻，确保功率耗散不会导致过高的芯片温度。

环路补偿

在单相操作中，通过在COMPx与AGND之间连接RC补偿器来稳定外部电压环路。在双相操作中，误差放大器的 (G{m}) 、调制器增益和有效 (f{sw}) 均加倍，但计算环路补偿组件的方程与单相操作相同。

电压跟踪

ADP1850具有电压跟踪功能，可跟踪主电压。有重合跟踪和比例跟踪两种配置，可确保在为单个集成电路提供不同电源电压时，避免因不当的电源排序而损坏负载IC。

独立功率级输入电压

除了单电源配置外，DC - DC转换器的功率级输入电压可来自不同的电压源，范围为1 V至20 V。但需确保在该操作条件下不违反最小或最大占空比。

PCB布局指南

关键路径布局

• MOSFET、输入大容量电容和旁路电容：确保FET的电流路径尽可能短，旁路电容靠近FET放置，以最小化环路电感。
• 高电流和电流感测路径：采用Kelvin感测连接，确保准确的电流感测。
• 信号路径：将VIN旁路、补偿组件、软启动电容和输出反馈分压器电阻的负端连接到小AGND平面，避免高电流或高dI/dt信号连接到该平面。
• PGND平面：PGNDx引脚连接到低侧MOSFET的源极，通过宽而直接的路径连接PGND平面和VDL旁路电容。
• 反馈和电流限制感测路径：避免FBx和ILIMx引脚的长走线或大铜面积，将串联电阻和电容靠近这些引脚放置。
• 开关节点：开关节点应宽以最小化电阻压降，总面积应小以减少电容耦合噪声。
• 栅极驱动器路径：栅极驱动走线应尽可能短而直接，必要时可使用两个较大的过孔并联。可在DHx和DLx引脚放置小阻值电阻以减少噪声和振铃。
• 输出电容：将输出滤波电容的负端靠近低侧FET的源极连接，以最小化AGND和PGNDx之间的电压差。

总结

ADP1850作为一款高性能的DC - DC同步降压控制器，凭借其丰富的特性、灵活的工作模式和全面的保护功能，为电子工程师在电源设计中提供了强大的支持。在实际应用中，工程师需根据具体需求合理选择元件、优化PCB布局，以充分发挥ADP1850的性能优势，实现高效、稳定的电源解决方案。你在使用ADP1850进行设计时，遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。