ADP2138/ADP2139：紧凑型800mA、3MHz降压DC - DC转换器的技术剖析

在电子设备的电源管理领域，高效、紧凑的DC - DC转换器一直是工程师们追求的目标。今天我们要深入探讨的ADP2138/ADP2139就是这样一款优秀的产品，它为众多电子设备的电源设计提供了理想的解决方案。

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一、产品概述

ADP2138和ADP2139是高效率、低静态电流的同步降压DC - DC转换器。ADP2139还具备内部放电开关这一额外特性。整个解决方案仅需三个微小的外部组件，大大节省了电路板空间。

1. 主要特性

• 宽输入电压范围：支持2.3V至5.5V的输入电压，能适配单锂或锂聚合物电池、多节碱性或镍氢电池、PCMCIA、USB等多种标准电源。
• 高转换效率：峰值效率可达95%，能有效降低功耗，延长设备的电池续航时间。
• 低静态电流：典型静态电流仅23μA，关机电流超低，典型值为0.2μA，有助于降低系统功耗。
• 小封装尺寸：采用6引脚、1mm × 1.5mm的WLCSP封装，非常适合对空间要求较高的应用。
• 快速响应：具有快速的负载和线路瞬态响应能力，能及时应对负载变化。
• 多种工作模式：支持强制PWM和自动PWM/PSM模式，可根据负载情况灵活切换，提高轻载效率。
• 保护功能完善：具备过流和热关断保护功能，保障芯片在异常情况下的安全。

2. 应用领域

该转换器广泛应用于各类电子设备，如PDA和掌上电脑、无线手持设备、数字音频和便携式媒体播放器、数码相机以及GPS导航单元等。

二、技术规格详解

1. 电气参数

参数	测试条件/注释	最小值	典型值	最大值	单位
输入电压范围		2.3		5.5	V
欠压锁定阈值（VIN上升）				2.3	V
欠压锁定阈值（VIN下降）		2.00	2.15	2.25	V
输出电压精度（PWM模式）		-2		+2	%
线路调整率（VIN = 2.3V至5.5V，PWM模式）			0.25		%/V
负载调整率（ILOAD = 0mA - 800mA）			-0.95		%/A
PWM转PSM模式电流阈值			100		mA
DC工作电流（ILOAD = 0mA，设备不切换）			23	30	μA
关机电流（EN = 0V，TA = TJ = -40°C至+85°C）			0.2	1.0	μA
SW导通电阻		1100
SW电流限制	PFET	155	240		mΩ
	PFET开关峰值电流限制	1500	1650		mA
	NFET	100	200		mΩ
使能和模式输入高阈值		1.2			V
使能和模式输入低阈值				0.4	V
使能和模式输入泄漏电流（EN/MODE = 0V（min），3.6V（max））		-1	0	+1	μA
振荡器频率		2.6	3.0	3.4	MHz
启动时间			250		μs
热关断阈值			150		°C
热关断迟滞			20		°C

2. 输入输出电容规格

为了保证转换器的性能，对输入和输出电容有一定的要求。最小输入和输出电容值为4.7μF，电容的等效串联电阻（ESR）范围为0.001Ω至1Ω。

3. 绝对最大额定值

参数	额定值
VIN、EN、MODE、VOUT、SW至GND	-0.4V至+6.5V；-1.0V至（VIN + 0.2V）
温度范围
工作环境温度	-40°C至+85°C
工作结温	-40°C至+125°C
存储温度	-65°C至+150°C
引脚温度范围	-65°C至+150°C
焊接（10秒）	300°C
气相（60秒）	215°C
红外（15秒）	220°C
ESD模型
人体模型	±1500V
充电设备模型	±500V
机器模型	±100V

三、工作原理

1. 控制方案

ADP2138/ADP2139采用固定频率、电流模式PWM控制架构。在中高负载时，以PWM模式工作，通过调整集成开关的占空比来调节输出电压，实现高效率；在轻负载时，切换到节能模式（PSM），以降低调节功率损耗。

2. PWM模式

在PWM模式下，芯片以3MHz的固定频率工作。每个振荡周期开始时，PFET开关导通，在电感上施加正电压，电感电流增加；当电流检测信号超过峰值电感电流阈值时，PFET开关关断，NFET同步整流器导通，电感电流减小。通过调整峰值电感电流阈值来调节输出电压。

3. 节能模式（PSM）

当负载电流低于节能模式电流阈值（100mA）时，芯片平滑过渡到PSM模式。此时，PWM调节电平产生偏移，使输出电压上升；当输出电压达到比PWM调节电平高约1.5%时，PWM操作停止，两个功率开关均关断，芯片进入空闲模式。输出电容放电，当输出电压降至PWM调节电压时，芯片再次驱动电感使输出电压上升。只要负载电流低于阈值，这个过程就会重复。

4. 使能/关机

当EN引脚从逻辑低电平切换到逻辑高电平时，芯片启动软启动并开始工作；将EN引脚拉低，芯片进入关机模式，关机电流降至典型值0.2μA。

5. 保护功能

• 短路保护：采用频率折返机制，当反馈引脚电压低于目标输出电压的一半时，表明输出可能出现硬短路，此时开关频率降低到内部振荡器频率的一半，防止输出电流失控。
• 欠压锁定：集成了欠压锁定（UVLO）电路，当输入电压低于2.15V的UVLO阈值时，芯片关机，功率开关和同步整流器均关断；当电压上升超过阈值时，启动软启动，芯片重新启用。
• 热保护：当芯片结温超过150°C时，热关断电路将转换器关闭。为避免频繁开关，设置了20°C的迟滞，即结温降至130°C以下时，芯片才会重新启动，并再次进行软启动。
• 软启动：内部软启动功能可在启动时以受控方式提升输出电压，限制浪涌电流，防止连接电池或高阻抗电源时可能出现的输入电压下降。
• 电流限制：芯片具备保护电路，限制通过PFET开关和同步整流器的正电流，防止电流过大；同时设置负电流限制，防止电感电流反向流出负载。
• 100%占空比操作：当VIN下降或ILOAD增加，即使PFET开关100%导通，VOUT仍低于期望输出电压时，芯片平滑过渡到PFET开关一直导通的模式；当输入条件改变，所需占空比下降时，芯片立即重新启动PWM调节，避免VOUT出现过冲。
• 放电开关（ADP2139）：ADP2139集成了一个典型值为100Ω的开关电阻，当EN引脚变为低电平或芯片进入欠压锁定或热关断状态时，用于对输出电容进行放电，放电时间通常为200μs。

四、应用信息

1. ADIsimPower设计工具

ADP2138/ADP2139得到了ADIsimPower设计工具集的支持。该工具集可根据特定设计目标生成完整的电源设计，包括原理图、物料清单，并能在几分钟内计算性能。用户可以通过该工具优化设计，考虑IC和外部组件的工作条件及限制，以实现成本、面积、效率和零件数量的最佳平衡。更多信息可访问https://www.analog.com/ADIsimPower 。

2. 外部组件选择

• 电感：由于ADP2138/ADP2139的开关频率较高，可选择小尺寸的片式电感。建议电感值在0.7μH至3μH之间，推荐的电感型号如Murata的LQM2MPN1R0NG0B、Taiyo Yuden的CBMF1608T1R0M等。电感的峰值 - 峰值电流纹波可通过公式 (I{RIPPLE}=frac{V{OUT} times (V{IN}-V{OUT})}{V{IN} × f{SW} × L}) 计算，电感的最小直流电流额定值应大于电感峰值电流，峰值电流可通过公式 (I{PEAK}=I{LOAD(MAX)}+frac{I_{RIPPLE}}{2}) 计算。为降低电感传导损耗和电磁干扰，建议使用屏蔽铁氧体磁芯材料。
• 输出电容：较高的输出电容值可降低输出电压纹波，改善负载瞬态响应。选择电容时，需考虑输出电压直流偏置对电容值的影响。推荐使用X5R或X7R电介质、电压额定值为6.3V或10V的陶瓷电容，不建议使用Y5V和Z5U电介质的电容。有效电容值可通过公式 (C{EFF}=C{OUT} times (1 - TEMPCO) times (1 - TOL)) 计算，其中TEMPCO为最坏情况下的电容温度系数，TOL为最坏情况下的组件公差。输出电压纹波可通过公式 (V{RIPPLE}=I{RIPPLE} times (ESR{COUT}+1 / (8 × f{SW} × C_{OUT}))) 计算，建议选择等效串联电阻（ESR）较低的电容以降低输出纹波。
• 输入电容：较大的输入电容值有助于降低输入电压纹波，改善瞬态响应。最大输入电容电流可通过公式 (I{CIN} geq I{LOAD(MAX)} sqrt{frac{V{OUT}(V{IN}-V{OUT})}{V{IN}}}) 计算。为减少电源噪声，应将输入电容尽可能靠近ADP2138/ADP2139的VIN引脚放置，同样建议使用低ESR电容。

3. 热考虑

虽然ADP2138/ADP2139效率较高，内部功耗较小，但在高环境温度、低电源电压、高占空比且负载最大的应用中，芯片封装内的散热可能导致结温超过125°C的最大结温。当结温超过150°C时，转换器进入热关断状态，结温降至130°C以下时恢复工作。结温可通过公式 (T{J}=T{A}+T{R}) 计算，其中 (T{R}=theta{JA} × P{D}) ，(T{J}) 为结温，(T{A}) 为环境温度，(T{R}) 为封装因功耗导致的温度上升，(theta{JA}) 为结到环境的热阻，(P_{D}) 为封装内的功耗。

4. PCB布局指南

良好的PCB布局对于ADP2138/ADP2139的性能至关重要。布局不当可能导致EMI、电磁兼容性问题、接地反弹和电压损失，还会影响调节和稳定性。以下是一些布局规则：

• 将电感、输入电容和输出电容靠近IC放置，使用短走线，因为这些组件承载高开关频率，大走线会像天线一样产生干扰。
• 输出电压路径应远离电感和SW节点，以减少噪声和磁干扰。
• 最大化组件侧的接地金属面积，有助于散热。
• 使用带有多个过孔连接到组件侧接地的接地平面，进一步降低敏感电路节点的噪声干扰。

五、评估板与订购信息

1. 评估板

ADP2138/ADP2139提供了评估板，方便工程师进行测试和验证。评估板的原理图和布局图可帮助工程师更好地了解芯片的应用。

2. 订购指南

ADP2138/ADP2139有多种型号可供选择，输出电压选项包括0.8V、1.0V、1.2V、1.5V、1.8V、2.5V、2.8V、3.0V和3.3V。所有型号均采用6球晶圆级芯片尺寸封装（WLCSP），工作温度范围为 - 40°C至+125°C，包装数量为每卷3000个。

总之，ADP2138/ADP2139以其高效、紧凑、功能丰富的特点，为电子工程师在电源设计中提供了一个可靠的选择。在实际应用中，需要根据具体需求合理选择外部组件，并遵循正确的PCB布局规则，以充分发挥其性能优势。你在使用ADP2138/ADP2139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。