SGM6613A：高效同步升压转换器的卓越之选

在电子设计领域，电源管理芯片的性能直接影响着整个系统的稳定性和效率。今天，我们就来深入探讨一款高性能的同步升压转换器——SGM6613A。

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一、产品概述

SGM6613A是一款高度集成的同步升压转换器，内部集成了17mΩ的低端功率开关和31mΩ的高端功率开关。它能够提供高达28.5V的输出电压，输入电压范围为4.5V至22V，可满足多种应用场景的需求。

二、产品特性

1. 宽输入输出电压范围

• 输入电压范围为4.5V至22V，输出电压范围为((V_{IN}+5V))至28.5V，这种宽范围的设计使得它在不同的电源环境下都能稳定工作。

  2. 高电流输出能力

• 具备高达7A的电阻可编程电流限制，能够为负载提供充足的电流。

  3. 集成式功率MOSFET

• 集成了17mΩ/31mΩ的功率MOSFET，有效降低了导通损耗，提高了转换效率。在(V{IN}=5V)，(V{OUT}=28.5V)且(I_{OUT}=500mA)的条件下，效率可达90%。

  4. 可编程开关频率

• 支持高达700kHz的电阻可编程开关频率，方便工程师根据实际需求进行调整。

  5. 多重保护功能

• 具备过压保护、电感电流限制保护和热关断保护等功能，确保芯片在异常情况下的安全性和稳定性。

  6. 轻载强制PWM模式

• 在轻载条件下采用强制脉冲宽度调制（PWM）模式，可防止因低开关频率导致的操作故障，同时减少声学噪声和开关频率干扰。

  7. 环保封装

• 采用绿色TQFN - 3×3.5 - 13L封装，符合环保要求。

三、应用领域

SGM6613A的应用范围十分广泛，常见于以下领域：

• 便携式扬声器箱：为扬声器提供稳定的电源，保证音质的清晰和稳定。
• LCD显示源驱动器：为LCD显示屏提供合适的电源，确保显示效果。
• 功率放大器和电机驱动器电源：满足功率放大器和电机驱动器对电源的高要求。
• USB Type - C电源：为USB Type - C接口设备提供稳定的电源支持。

四、引脚配置与功能

1. 引脚配置

PIN	NAME	I/O	FUNCTION
1	FREQ	I	可调开关频率引脚，通过在FREQ和AGND之间放置电阻来编程开关频率。
2	AGND	-	模拟信号地。
3	ILIM	I	可调峰值电流限制，通过在该引脚和AGND之间放置电阻来编程峰值电流限制。
4	COMP	O	内部误差放大器的输出，在该引脚和AGND之间放置环路补偿网络。
5	FB	I	电压反馈，连接到电阻分压器以编程输出电压。
6	PGND	PWR	功率地，连接到低端MOSFET的源极。
7	SW	PWR	转换器的开关节点，连接到内部功率MOSFET。
8	VOUT	PWR	升压转换器输出。
9	NC	-	未连接。
10	VCC	O	内部稳压器的输出，在该引脚和地之间连接一个大于1.0µF的电容。
11	EN	I	使能输入引脚，逻辑高电平使能设备，逻辑低电平关闭设备。
12	VIN	I	电源。
13	BOOT	O	高端MOSFET的栅极驱动器电源，通过陶瓷电容将该引脚连接到SW引脚。

2. 引脚功能详解

• FREQ引脚：通过外部电阻可以灵活调整开关频率，以适应不同的应用需求。例如，当(R_{FREQ}=330kΩ)时，开关频率约为500kHz。
• ILIM引脚：通过连接电阻可以设置峰值电流限制，计算公式为(R{LIM}=frac{730}{I{LIM}})。例如，选择107kΩ的电阻可设置6.8A的峰值电流限制。
• FB引脚：用于电压反馈，通过电阻分压器可以精确设置输出电压，计算公式为(V{OUT}=V{FB}×(1+frac{R{UP}}{R{DOWN}}))。

五、电气特性

1. 电源特性

• 输入电压范围为4.5V至22V，输入欠压锁定（UVLO）阈值典型值为4.1V，滞回为160mV。
• VCC调节电压在(I{CC}=5mA)，(V{IN}=6V)时为5V。
• 静态电流方面，在IC使能、无负载、无开关且(V{IN}=4.5V)，(V{OUT}=28.5V)，(V_{FB}=1.23V)时，流入VIN引脚的静态电流为420 - 510µA；流入VOUT引脚的静态电流为150 - 200µA。
• 关断电流方面，IC禁用且(V{IN}=4.5V)时，流入VIN引脚的关断电流为0.8 - 3µA；(V{IN}=22V)时为4.4 - 8µA。

  2. 输出电压特性

• 输出电压范围为9.5V至28.5V，输出过压保护阈值典型值为30.2V。

  3. 功率开关特性

• 高端MOSFET导通电阻在(V{CC}=5V)，(T{J}=+25℃)时典型值为31mΩ，最大值为40mΩ；低端MOSFET导通电阻典型值为17mΩ，最大值为25mΩ。

  4. 电流限制特性

• 电阻可编程电流限制在(R{LIM}=107kΩ)，(T{J}=+25℃)时，典型值为6.8A，最小值为5.3A，最大值为8.2A。

  5. 电压参考特性

• FB引脚的参考电压在强制PWM操作且(T_{J}=+25℃)时，典型值为1.200V，最小值为1.176V，最大值为1.224V。

  6. 其他特性

• 误差放大器的COMP引脚输出高电压典型值为1.57V，输出低电压典型值为0.46V，跨导典型值为260µS。
• 软启动时间典型值为11ms，预充电时间典型值为2.7ms。
• 热关断上升阈值典型值为150℃，下降阈值典型值为130℃，打嗝模式下重启等待时间为70ms。
• 开关频率在(R_{FREQ}=330kΩ)时，典型值为500kHz，最小值为400kHz，最大值为600kHz，最小导通时间为180ns。

六、典型性能特性

1. 效率与输出电流关系

在不同输入电压下，效率随输出电流的变化而变化。例如，在(V{IN}=5V)，(V{OUT}=28.5V)的条件下，效率最高可达90%左右。

2. 峰值电流限制与设置电阻关系

通过改变设置电阻的阻值，可以精确调整峰值电流限制。

3. 导通电阻与温度关系

高端和低端MOSFET的导通电阻随温度的升高而增大。

4. 其他特性

还包括输入欠压锁定上升/下降阈值与温度的关系、EN上升/下降阈值与温度的关系、参考电压与温度的关系、输出电压与温度和输出电流的关系等。

七、详细工作原理

1. 工作模式

• 中重负载条件：采用固定频率PWM模式，保证系统的稳定性和效率。
• 轻负载条件：采用强制PWM模式，避免声学噪声和开关频率干扰。

  2. 输入欠压锁定（UVLO）

  当输入电压低于典型值3.94V（滞回160mV）时，欠压锁定电路会阻止设备工作；当输入电压上升超过4.1V（典型值）时，设备重新启动。

  3. 使能与禁用

  当启动时输入电压超过最小输入电压且EN电压高于其逻辑高阈值时，SGM6613A被使能；当EN电压低于其逻辑低阈值时，进入关断模式。

  4. 启动过程

• 采用软启动功能，在预充电阶段以固定的500kHz开关频率将输出电压充电至(1.1×V_{IN})。
• 预充电阶段（典型值2.7ms）结束后，输出电压逐渐线性上升至目标值，软启动时间典型值为11ms。
• 之后，开关频率由通过FREQ引脚连接的电阻设置。

  5. 可调峰值电流限制

  为避免意外的大峰值电流，采用内部逐周期电流限制。通过连接电阻到ILIM引脚可以设置峰值电流限制。

  6. 可调开关频率

  开关频率最高可达700kHz，由连接在FREQ引脚和AGND引脚之间的外部电阻(R{FREQ})设置。计算公式为(T=frac{1}{f{FREQ}}=k×C{FREQ}×R{FREQ}+t{DELAY})，其中(t{DELAY}=200ns)，(k = 3)，(C_{FREQ}=1.8pF)。

  7. 带预偏置输出的启动

  如果在启动前检测到输出端有预偏置电压，低端开关将被禁止导通和放电输出。只要内部软启动电压高于(V_{FB})，低端开关就允许吸收电流，实现带预偏置输出的单调启动。

  8. 自举电压（BOOT）

  在BOOT引脚和SW引脚之间连接一个小陶瓷电容（推荐值大于0.1µF），为高端MOSFET设备的栅极提供充电电流，并为自举电容充电。

  9. 过压保护（OVP）

  提供30.2V（典型值）的OVP阈值，当输出电压超过该阈值时，设备立即停止开关，直到VOUT引脚电压下降到输出OVP阈值以下600mV。

  10. 热关断

  内部温度监控器可防止芯片因过热而损坏。当芯片温度超过150℃（典型值）时，设备停止开关；当温度下降到130℃（典型值）以下时，设备恢复工作。

八、应用信息

1. 典型应用

以5V输入、28.5V输出的转换器为例，给出了详细的电路设计和元件参数。

2. 设计要求

• 输入电压范围为4.5V至22V，输出电压为28.5V，输出纹波电压为±3%。

  3. 元件选择

• 电感：推荐了多种电感型号，如744325180（1.8μH）、74437368033（3.3μH）等，并给出了其相关参数。
• 电容：输出电容推荐使用3 × 22μF X5R或X7R MLCC电容并联；输入电容推荐使用22μF；自举电容推荐使用0.047μF - 0.1μF，本设计中使用0.1μF；(C_{VCC})推荐使用1μF - 4.7μF，本设计中使用4.7μF。

  4. 参数设置

• 峰值电流限制：通过外部电阻设置，为保证安全，推荐选择比计算值小约10%的电阻。例如，设置6.8A的电流限制，计算值为107kΩ，实际选择93.6kΩ。
• 输出电压：通过电阻分压器网络设置，计算公式为(V{OUT}=V{FB}×(1+frac{R{UP}}{R{DOWN}}))。例如，设置28.5V的输出电压，选择(R{DOWN})约为80.6kΩ，(R{UP})为1.83MΩ。

  5. 布局指南

• 对于开关电源，尤其是高频高电流的电源，布局非常重要。应使用宽而短的走线用于高电流路径，将输入电容尽可能靠近VIN引脚和GND引脚，SW引脚的连接应尽可能短而宽，输出电容应靠近VOUT引脚，敏感信号（如FB、COMP）的走线应远离SW走线，且其接地应与功率地分开。

九、封装信息

1. 封装尺寸

采用TQFN - 3×3.5 - 13L封装，并给出了详细的封装尺寸和推荐焊盘尺寸。

2. 编带和卷盘信息

包括卷盘尺寸、编带尺寸和关键参数列表。

3. 纸箱尺寸

给出了13″卷盘对应的纸箱尺寸。

十、总结

SGM6613A是一款性能卓越的同步升压转换器，具有宽输入输出电压范围、高电流输出能力、多重保护功能等优点。在实际应用中，工程师可以根据具体需求合理选择元件参数和设置相关功能，同时注意布局设计，以充分发挥其性能优势。大家在使用SGM6613A的过程中，有没有遇到过一些特殊的问题或者有什么独特的设计经验呢？欢迎在评论区分享交流。