SP7661评估板：高效同步降压转换器的评估与设计指南

一、SP7661简介

SP7661是一款0 - 3A输出的同步降压转换器，内置功率MOSFET，具有欠压锁定（UVLO）功能，可同时检测VCC和VIN。其高度集成的设计使得所需外部组件极少，效率高达90%，还具备丰富的特性，如可编程软启动、内置VCC电源、输出短路保护和电流限制等。

文件下载：SP7661EB.pdf

二、评估板使用方法

1. 上电操作

将SP7661评估板与外部+12V电源连接，使用短导线和大直径电线直接连接到“VIN”和“GND”端子。在VOUT和GND端子之间连接负载时，同样使用短导线和大直径电线，以减少电感和电压降。大家在实际操作中，一定要注意导线的选择，这对电路性能影响很大，你有遇到过因为导线选择不当导致电路不稳定的情况吗？

2. 输出负载特性测量

测量VOUT纹波时，将探头尖端接触C5的焊盘，示波器的GND夹接触输出GND端子，避免使用示波器的GND线，以免增加噪声拾取。

3. 不同输出电压设置

评估板默认输出设置为3.30V，通过改变电阻R2的值，可将SP7661设置为其他输出电压。计算公式为： [R 2=frac{R 1}{left(frac{ Vout }{.80 V}-1right)}] 其中(R 1 = 10 k Omega)，当Vout = 0.80V时，只需从板上移除R2。为保证系统环路稳定性，建议将R1的电阻范围限制在(10 k Omega ≤R 1 ≤100 k Omega)。需要注意的是，由于评估板设计是针对12V降压至3.30V进行优化的，改变输出电压和/或输入电压会影响电源数据部分给出的性能。此外，若要输出电压大于3.3V，需禁用电流检测，方法是移除R3和R4。

4. 电流限制调整

SP7661ER通过感应VOUT在GND处的电压提供短路保护，转换器的电流限制设置约为5.5A，通过感应电感中的电流来实现。调整电流限制可根据以下公式： 向上调整电流通过调整电阻R9；向下调整电流通过调整R8，公式为： [R 8=R 4 cdotleft(frac{( Vout -60 mV)+(Imax cdot DCR)}{60 mV-(Imax cdot DCR)}right)] 其中DCR是电感绕组电阻，IMAX是所需的输出电流。对于本演示板上的Wurth电感，DCR标称值为14mΩ。更详细的电流限制信息可在SP7661数据手册中找到。

三、电源数据

SP7661ER设计了一个在线路、负载和温度范围内精度为2.0%的参考电压。典型的SP7661评估板效率图显示，效率高达90%，输出电流可达3A。满载时输出电压纹波小于10mV，相关数据还展示了0A至3A和1A至3A的负载阶跃响应、短路和电流限制情况，以及典型的满载和空载启动特性。这些数据都是在12V输入电压下测得的，虽然单个电源板的数据可能会有所不同，但SP7661ER在一系列负载条件下实现高精度的能力令人印象深刻，对于精确的电源设计非常有价值。你在设计电源时，更关注效率还是输出精度呢？

四、III型环路补偿设计

1. 原理概述

SP7661EB的开环增益可分为误差放大器增益Gamp(s)、PWM调制器Gpwm、降压转换器输出级Gout(s)和反馈电阻分压器Gfbk。为了在选定频率fco处实现交叉，误差放大器的增益必须补偿该频率下环路其余部分引起的衰减。环路补偿的目标是操纵开环频率响应，使其增益以–20dB/dec的斜率在0dB处交叉。开环交叉频率应高于输出电容器的ESR零点，但小于开关频率fs的1/5至1/10，以确保正常运行。由于SP7661EB采用陶瓷型输出电容器，需要一个III型补偿电路来提供180°的相位提升，以抵消输出LC欠阻尼谐振双极点频率的影响。

2. 设计步骤

• 计算双极点频率fp_LC： [fp_LC =frac{1}{2 pi(sqrt{L cdot C})}] 对于(L = 2.2uH)，(C = 80uF)（考虑陶瓷电容性能，使用约80%的输出电容进行计算），可得(fp_LC approx 12 kHz)。
• 计算ESR零点频率fz_ESR： [fz_ESR =frac{1}{2 pi cdot Cesr cdot Cout }] 其中(Cesr = 3 m Omega)，(Cout = 80 mu F)，计算得(fz_ESR = 663 kHz)。
• 选择R1组件值：选择(R 1 = 10 k Omega)，精度为1%。
• 计算R2：根据所需的VOUT计算R2，公式为： [R 2=frac{R 1}{left[frac{ Vout }{.8 V}right]-1}] 当(Vout = 3.3V)时，(R 2 approx 3160 Omega)。
• 选择RZ2 / R1增益比：根据所需的增益带宽（这里使用60kHz），计算RZ2： [R Z 2=R 1 cdotleft[frac{ Vramp_pp }{ Vinmax }right] cdotleft(frac{f c o}{f p{-} L C}right)] 其中(Vramp_pp = 1.0V)，(Vin_max = 12V)，计算得(R Z 2 approx 4020 Omega)。
• 计算CZ2：将零点放置在输出滤波器极点频率的1/2处，计算公式为： [C Z 2=frac{1}{pi cdot R Z 2 cdot f p_{-} L C}] 计算得(C Z 2 approx 6.8 n F)。
• 计算CP1：将第一个极点放置在ESR零点频率处，计算公式为： [C P 1=frac{1}{2 pi cdotleft(R z 2 cdot f z_{-} E S Rright)}] 计算得(C P 1 approx 56 p F)。
• 计算RZ3：将第二个极点放置在开关频率的1/2处，第二个零点放置在输出滤波器双极点频率处，计算公式为： [R Z 3=frac{2 cdot(R 1) cdotleft(f p{-} L Cright)}{f{S}-2 f p{-} L C}] 其中(f{S} = 600 kHz)，计算得(R Z 3 approx 400 Omega)。
• 计算CZ3：根据RZ3的值计算CZ3，公式为： [C Z 3=frac{1}{pi cdot R Z 3 cdot f_{S}}] 计算得(C Z 3 approx 1500 p F)。
• 选择CF1：选择(100 pF ≤CF 1 ≤220 pF)，这里选择100pF来稳定SP7661ER内部误差放大器。

五、PC布局图纸

文档提供了SP7661EB的组件布局图、PC布局的顶层、第二层、第三层和底层图，以及底层组件图，为工程师进行实际设计和制作提供了详细的参考。

六、建议组件和供应商列表

文档还列出了SP7661EB建议使用的组件和供应商信息，包括PCB、U1（Sipex SP7661EU同步降压调节器）、各种电容、电阻等组件的制造商、型号、尺寸和联系电话等。

七、订购信息

如果需要进一步的帮助，可通过以下方式获取支持：

• 电子邮件：[e-mail]
• WWW支持页面：http://www.sipex.com/content.aspx?p=support
• 实时技术聊天：http://www.geolink-group.com/sipex/
• Sipex应用笔记：http://www.sipex.com/applicationNotes.aspx
• III型环路补偿计算器：www.sipex.com/files/Application-Notes/TypeIIICalculator.xls

总之，SP7661评估板为电子工程师提供了一个方便的平台，用于评估和设计高效的同步降压转换器。通过合理使用评估板和掌握相关的设计方法，工程师可以更好地满足不同应用场景的需求。你在使用评估板进行设计时，有没有遇到过什么难题呢？欢迎在评论区分享。