SGM64200：双输出或双相同步降压控制器的深度解析

在电子设计领域，电源管理是一个至关重要的环节。今天，我们将深入探讨SGM64200这款双输出或双相同步降压控制器，它在服务器、电信基站、网络交换机和路由器等众多领域都有广泛的应用。

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一、产品概述

SGM64200集成了两个同步降压控制器，可配置为两个独立的单相输出或一个双相输出。通过外部引脚，还能将两个设备以主从模式连接，提供四个单相输出或两个双相输出，并且可以调整连接设备的开关相位，实现四相交错。该设备的输入电压范围为3V至20V，具有0.6V的精确参考电压。

1.1 主要特性

• 灵活的输出配置：支持两个单相或一个双相输出，满足不同应用需求。
• 同步功能：SYNC引脚具有单周期时钟恢复功能，PHASE引脚可实现0°/180°或90°/270°操作。
• 主从模式：两个设备可工作在主从模式，拓展输出能力。
• 宽输入电压范围：3V至20V的输入电压范围，适应多种电源环境。
• 精确参考电压：600mV的精确参考电压，精度为±0.75%。
• 可调输出电压：输出电压可在0.6V至5.4V之间调节。
• 可调频率：开关频率可在100kHz至1MHz之间调节。
• 多种保护功能：具备过流、过压、欠压保护以及热关断保护等功能。

二、引脚配置与功能

2.1 引脚配置

SGM64200采用TQFN - 5×5 - 32AL封装，其引脚配置如下：	引脚	名称	描述
1	SYNC	主模式下输出内部2倍自由运行时钟，从模式下可同步到外部时钟
2	FREQ	通过连接电阻到AGND设置内部自由运行时钟
3	EN1	控制CH1的启动和停止，可实现软启动
4	FB1	CH1误差放大器的反相输入
5	COMP1	CH1误差放大器的输出
6	AGND	模拟地
7	COMP2	CH2误差放大器的输出，双相操作时连接到COMP1
8	FB2	CH2误差放大器的反相输入，双相操作时连接到VDD6V
9	ROUT	远程感应差分放大器的输出
10	EN2/RGND	控制CH2的启动和停止，双相操作时作为远程感应差分放大器的负输入
11	OCTH2/RSNS	调节CH2的过流限制，双相模式下作为远程感应差分放大器的正输入
12	ISNS2 -	CH2电流检测放大器的负输入
13	ISNS2 +	CH2电流检测放大器的正输入
14	PG2	CH2的开漏电源良好输出
15	BST2	CH2高端驱动器的自举电源
16	HS2	CH2高端驱动器的输出
17	SW2	CH2高端驱动器的返回路径
18	LS2	CH2低端驱动器的输出
19	PGND2	CH2的功率地和低端驱动器的返回路径
20	VDD6V	内部6V稳压器的输出
21	PGND1	CH1的功率地和低端驱动器的返回路径
22	LS1	CH1低端驱动器的输出
23	SW1	CH1高端驱动器的返回路径
24	HS1	CH1高端驱动器的输出
25	BST1	CH1高端驱动器的自举电源
26	VIN	设备的电源输入
27	PG1	CH1的开漏电源良好输出
28	ISNS1 +	CH1电流检测放大器的正输入
29	ISNS1 -	CH1电流检测放大器的负输入
30	OCTH1	调节CH1的过流限制，双相模式下也可调节过流限制
31	VINS	通过电阻分压器连接到电源电压，控制设备的最小工作电压
32	PHASE	设置主从模式和选择工作相位
-	外露焊盘	热外露焊盘，连接到PCB的接地层，是芯片的主要散热路径

2.2 引脚功能详解

• 同步引脚（SYNC）：在主模式下，SYNC引脚输出内部2倍自由运行时钟，占空比为50%。在从模式下，设备可以同步到外部时钟，外部时钟频率范围为内部2倍自由运行时钟的±20%。
• 频率设置引脚（FREQ）：通过连接电阻到AGND来设置内部自由运行时钟，该引脚通常调节在0.8V。
• 使能引脚（EN1、EN2/RGND）：用于控制相应通道的启动和停止，通过连接电容到AGND可以实现软启动功能。
• 反馈引脚（FB1、FB2）：误差放大器的反相输入，当输出电压稳定时，该引脚电压应为0.6V。
• 过流阈值引脚（OCTH1、OCTH2/RSNS）：通过连接电阻到AGND来调节相应通道的过流限制。

三、电气特性

3.1 输入电源特性

• 输入电压范围：3V至20V，满足大多数应用的电源需求。
• 关断电流：当EN1/EN2为0V时，关断电流为170至240µA。
• 静态电流：非开关状态下，当VFB = 0.65V且EN1/EN2浮空时，静态电流为5.2至7mA。

3.2 振荡器和斜坡发生器特性

• 振荡器频率：通过FREQ引脚连接的电阻设置，典型值为500kHz，范围为100kHz至1MHz。
• 斜坡幅度：峰 - 峰值为VVIN/8.5V。
• 谷底电压：0.85V。

3.3 误差放大器和电压参考特性

• FB输入电压：在-40℃至+125℃温度范围内，为593至607mV。
• FB输入偏置电流：10至130nA。
• 单位增益带宽：24MHz。
• 开环增益：80dB。

3.4 其他特性

还包括软启动、过流保护、过压和欠压保护、栅极驱动器等方面的特性，这些特性确保了SGM64200在各种应用中的稳定性和可靠性。

四、详细工作原理

4.1 电压参考

SGM64200采用600mV的带隙基准电压，连接到放大器的正输入端。该参考电压可以在单位增益配置下进行调整，消除应用中的电压偏差，其0.5%的公差允许用户设计非常精确的电源。

4.2 输出电压设置

输出电压通过外部电阻进行调节，公式为： [V{OUT }=0.6 V timesleft(1+frac{R{A}}{R{BIAS }}right)] 其中，(R{A})和(R_{BIAS})为外部电阻。

4.3 输入电压前馈

通过添加电压前馈，SGM64200在输入电压变化时保持功率级增益恒定，并对线路转换具有快速响应。同时，简单的功率级也简化了环路设计。

4.4 电流检测

采用差分电流检测方法检测输出电流，可以使用电感的DCR或精密电流检测电阻。当使用DCR检测电流时，需要并联RC滤波器来滤除电感的交流电压分量。

4.5 过流保护

每个通道都有OCTH引脚来监控电流。当电感电流超过设定阈值时，SGM64200将逐周期限制电流。当连续三次出现过流情况时，高端MOSFET和低端MOSFET将关闭，控制器开始打嗝。经过六次软启动过程后，芯片将进入重启模式。

4.6 双相模式、远程感应放大器和电流共享环路

SGM64200可以工作在高电流双相模式下，通过连接FB2到VDD6V和COMP1与COMP2，可以实现双相电流共享，平衡两相的发热。远程感应放大器用于补偿输出电压降，使远程电压调整到设定值。

4.7 启动和关机

• 启动顺序：当ENx引脚拉低到0.3V以下时，相应通道关闭。释放ENx引脚后，内部40µA电流源开始对软启动电容充电，当电容电压超过0.7V时，内部VDD6V线性稳压器启用。
• 预偏置输出启动：支持预偏置启动，在软启动过程中，直到(VSS_INT)超过FB电压才会产生PWM脉冲。
• 关机：关机时，VDD6V由EN控制，如果两个通道的EN引脚都拉低，无论输入电压是否超过编程的UVLO，VDD6V都将被禁用。

4.8 开关频率和主从同步

开关频率由FREQ引脚连接到GND的电阻决定，公式为： [R{FREQ }=frac{20 times 10^{9}}{f{sw }}] 其中，(f_{sw})为所需的开关频率。SGM64200还可以通过外部时钟进行同步，外部时钟频率范围为内部主时钟频率的±20%。

4.9 过压和欠压故障保护

通过检测FB引脚采样的电压实现过压/欠压检测。当出现欠压情况时，设备将进入打嗝模式，直到故障恢复。当出现过压情况时，设备将关闭高端MOSFET并锁定低端MOSFET，将输出电流释放到功率良好窗口内的调节水平。

4.10 输入欠压锁定（UVLO）

通过VINS引脚的电阻分压器可以编程所需的阈值电压。

4.11 电源良好指示

SGM64200每个通道都有引脚指示输出是否良好，这些引脚为开漏输出，当反馈电压（VFB）不在标称值的±12.5%范围内或软启动功能激活时，PG引脚将拉低。

4.12 热关断

当芯片结温达到+150℃的热关断阈值时，PWM振荡器将关闭，高端和低端驱动器也将关闭。当芯片冷却到+130℃时，PWM开始软启动。

五、应用信息

5.1 双输出模式

5.1.1 设计目标

参数	符号	条件	最小值	典型值	最大值	单位
输入电压	VIN		8	12	15	V
输入纹波	VIN_RIPPLE	IOUT1 = IOUT2 = 10A			0.25	V
输出1电压	VOUT1	IOUT1_MIN ≤ IOUT1 ≤ IOUT1_MAX		1.2		V
输出1线路调节率		VIN_MIN ≤ VIN ≤ VIN_MAX			0.5	%
输出1负载调节率		IOUT1_MIN ≤ IOUT1 ≤ IOUT1_MAX			0.5	%
输出1纹波	VRIPPLE1	IOUT1 = IOUT1_MAX			24	mV
输出1过冲	V_OVER1	ΔIOUT1 = 5A		40		mV
输出1下冲	V_UNDER1	ΔIOUT1 = 5A		40		mV
输出1电流	IOUT1	VIN_MIN ≤ VIN ≤ VIN_MAX	0		10	A
输出1短路电流跳闸点	ISCP1			15		A
输出2电压	VOUT2	IOUT2_MIN ≤ IOUT2 ≤ IOUT2_MAX		1.8		V
输出2线路调节率		VIN_MIN ≤ VIN ≤ VIN_MAX			0.5	%
输出2负载调节率		IOUT2_MIN ≤ IOUT2 ≤ IOUT2_MAX			0.5	%
输出2纹波	VRIPPLE2	IOUT2 = IOUT2_MAX			36	mV
输出2过冲	V_OVER2	ΔIOUT2 = 5A		40		mV
输出2下冲	V_UNDER2	ΔIOUT2 = 5A		40		mV
输出2电流	IOUT2	VIN_MIN ≤ VIN ≤ VIN_MAX	0		10	A
输出2短路电流跳闸点	ISCP2			15		A
软启动时间	tSS	VIN = 12V		2		ms
效率	η	VIN = 12V, IOUT1 = IOUT2 = 10A		88		%
开关频率	fSW			500		kHz

5.1.2 器件选择

• 电感选择：根据电感电流纹波为20%至40%的设计标准，选择合适的电感。在本设计中，计算得到电感值约为0.736µH，实际选择0.88µH的电感。
• 输出电容选择：考虑瞬态响应，通过公式计算输出电容的最小值。在本设计中，选择两个220µF的铝电解电容和多个陶瓷电容来满足纹波和输出响应的要求。
• MOSFET选择：选择CSD86330，该器件集成两个MOS，尺寸为3mm×3mm，可通过20A电流。
• ILIM电阻选择：根据电感和DCR的时间常数关系计算电阻值，同时考虑检测电流运算放大器的最大输入电压，必要时进行分压。
• 反馈分压器选择：使用内部参考电压为0.6V的运算放大器，选择合适的电阻值来设置输出电压。
• 补偿网络选择：使用SGM64200环路计算工具，设置50kHz带宽和50°相位裕度，通过实验调整参数得到合适的补偿网络值。
• 自举电容选择：为了正常驱动高端FET，限制BST电容的纹波小于100mV，计算得到电容值约为70nF，实际选择100nF。

5.2 双相模式

5.2.1 设计目标

参数	符号	条件	最小值	典型值	最大值	单位
输入电压	VIN		4.5		15	V
输出电压	VOUT1	IOUT_MIN ≤ IOUT ≤ IOUT1_MAX		1.2		V
线路调节率		VIN_MIN ≤ VIN ≤ VIN_MAX			0.5	%
负载调节率		IOUT_MIN ≤ IOUT ≤ IOUT1_MAX			0.5	%
输出纹波	VRIPPLE1	IOUT = IOUT_MAX			12	mV
输出过冲	V_OVER1	ΔIOUT = 5A		40		mV
输出下冲	V_UNDER1	ΔIOUT = 5A		40		mV
输出电流	IOUT1	VIN_MIN ≤ VIN ≤ VIN_MAX	0		10	A
软启动时间	tSS	VIN = 12V		2		ms
效率	η	VIN = 12V, IOUT1 = IOUT2 = 10A		88		%
开关频率	fSW			500		kHz

5.2.2 引脚连接

在双相模式下，部分引脚的连接方式如下： | 引脚 | 连接