深入剖析 FAN48695 同步调节器：特性、应用与设计要点

在电子设备的电源管理领域，高效、稳定的电源调节器至关重要。今天，我们将深入探讨安森美（onsemi）的 FAN48695 同步调节器，它专为单节锂或锂离子电池供电应用而设计，具备诸多出色特性，能为各类设备提供可靠的电源解决方案。

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一、FAN48695 概述

FAN48695 是一款低功耗升压调节器，旨在从单节锂或锂离子电池提供稳定的输出电压。它内置功率晶体管、采用同步整流技术且供电电流低，非常适合电池供电应用。该器件采用 9 凸点、0.4mm 间距的晶圆级芯片尺寸封装（WLCSP），节省了电路板空间。

二、关键特性

2.1 输入输出特性

• 输入电压范围：2.5V 至 5.5V，能适应多种电池供电场景。
• 负载能力：具备 1A 的负载能力，可满足大多数小型设备的功率需求。

2.2 工作模式与效率

• PFM/PWM 模式：采用 PFM（脉冲频率调制）和 PWM（脉冲宽度调制）模式，在不同负载条件下实现高效运行。在轻负载时，PFM 模式可降低功耗，提高效率；而在重负载时，PWM 模式能提供稳定的输出。
• 2.5MHz 固定频率 PWM 操作：固定的开关频率有助于减少电磁干扰（EMI），提高系统的稳定性。

2.3 保护功能

• 同步整流：提高了转换效率，减少了能量损耗。
• 反向电流阻断：防止电流反向流动，保护电池和电路。
• 自动直通操作和强制直通模式：当输入电压接近或高于期望输出电压时，自动进入直通模式，降低功耗；也可通过设置 PT 引脚为高电平强制进入直通模式。
• 过温保护（OTP）：当芯片温度过高时，自动关闭输出，保护芯片免受损坏。
• 过流保护（OCP）：限制电感峰值电流，防止过载时损坏芯片和电感。
• 欠压保护（UVLO）：当输入电压低于设定阈值时，停止输出，保护设备安全。
• 3 阶段软启动：限制启动时的浪涌电流，减少对电池和电路的冲击。

2.4 环保特性

该器件为无铅产品，符合 RoHS 标准，符合环保要求。

三、应用领域

FAN48695 适用于多种应用场景，如：

• NFC/USB/功率放大器：为这些模块提供稳定的电源，确保其正常工作。
• 手机、智能手机和便携式仪器：满足这些设备对小型化、高效电源的需求。

四、引脚配置与电气参数

4.1 引脚定义

引脚	名称	描述
A1	VOUT	升压调节器的输出电压引脚，需使用低阻抗走线连接输出电容。
A3	PVIN	升压调节器的输入电源引脚，直接连接输入电容，同样需低阻抗走线。
B1	SW	开关节点，连接电感。
B3	EN	使能引脚，高电平使能器件，低电平禁用。
C1	GND	接地引脚，为芯片提供电源和信号地参考，输入和输出电容应通过低阻抗走线连接到此引脚。
C3	PT	直通引脚，高电平使器件进入强制直通模式。

4.2 电气参数

• 最大额定值：包括输入电压、输出电压、开关节点电压、控制电压、ESD 保护等级、结温、存储温度和焊接温度等参数，使用时需确保不超过这些额定值，以免损坏器件。
• 推荐工作条件：规定了电源电压范围、电感值、输入电容、输出电容、输出电流和工作环境温度等参数，在这些条件下工作可保证器件的性能和可靠性。

五、工作模式与启动过程

5.1 工作模式

• Boost PWM 模式：在 PWM 模式下，升压调节器以约 2.5MHz 的固定开关频率调节输出。随着负载增加，电感电流的直流偏移增大；在移动设备中，电池电压下降时，开关节点电压信号低电平的周期会变长。
• Boost PFM 模式：当负载电流低于约 80mA 时，器件进入 PFM 模式，可提高轻负载时的效率。在 PFM 模式下，平均输出电压高于 PWM 模式，有助于改善瞬态压降。
• 自动直通操作：当输入电压比升压目标电压低 250mV 以上且持续 255μs 时，器件自动从升压模式转换到直通模式；当输入电压比目标升压电压低 350mV 时，自动退出直通模式。
• 强制直通模式：当 PT 引脚设置为高电平且 EN 引脚为高电平时，器件进入强制直通模式，此时输入和输出之间存在低阻抗路径。

5.2 启动过程

FAN48695 可在升压模式或强制直通模式下启动，两种模式均采用两阶段线性软启动来限制源端的浪涌电流。

• 线性软启动状态：内部固定电流源 LIN1 施加到输出端，持续时间最长为 500μs。如果在 500μs 内输出电压未达到输入电压减去 300mV，则电流源增加到 LIN2，再持续 1ms。
• 升压模式启动：若在线性软启动状态下输出电压充电到输入电压减去 300mV，固定电流源将被禁用，器件进入开关软启动状态。若在 LIN2 阶段结束时输出电压仍未达到该值，则宣布故障，器件等待 20ms 后尝试自动重启。
• 强制直通模式启动：若输出电压充电到输入电压，则进入强制直通模式；若在 LIN2 阶段结束时未达到，则宣布故障，同样等待 20ms 后尝试自动重启。
• 开关软启动状态：调节器以 PFM 模式开始开关操作，将电感峰值电流限制设置为正常值的四分之一，直到输出电压达到目标电压或经过 100μs，然后切换到升压模式，电感峰值电流限制恢复到典型值。

六、保护功能

6.1 输出故障保护

当输出电压因重载被拉低至输入电压以下 300mV 时，器件会触发故障保护，保护自身、电源和负载。

6.2 软启动故障保护

若器件在 1.5ms 内未能将输出电压驱动到输入电压减去 300mV，或在退出线性充电阶段后 100μs 内未能使输出电压达到稳定状态，将触发故障，20ms 后尝试重启。

6.3 电流限制保护

当电感峰值电流达到限制值并持续 2ms 时，器件进入故障状态；在输出过载时，若输出电压比输入电压低 300mV，器件立即进入故障状态。故障状态下，Q2 完全断开，防止电流在输入和输出之间流动，器件每 20ms 尝试自动重启。

6.4 直通模式保护

• 自动直通模式保护：在自动直通模式下，若输入和输出之间的电压差超过 350mV 且持续时间不超过 10μs，将宣布故障，器件每 20ms 尝试重启，直到短路情况消除。
• 强制直通模式保护：在强制直通模式下，当输出电压被拉低至输入电压减去 450mV 以下时，触发故障保护，器件每 20ms 尝试重启。

6.5 热关断保护

当芯片因高负载和/或环境温度升高而温度上升时，输出开关将被禁用，直到芯片温度降至滞后阈值以下。热关断激活的结温标称值为 TSD，具有 THYS 滞后。

6.6 欠压锁定保护

当 EN 引脚为高电平时，输入电压上升到 VUVLO_R 时，器件开始软启动过程；输入电压下降到 VUVLO_F 时，输出进入高阻态，输出电压将衰减到负载中。

七、外部组件选择与布局指南

7.1 外部组件选择

• 输出电容（COUT）：建议使用推荐的输出电容，其有效电容应等于或大于推荐值。为获得更好的纹波性能，可增加额外的输出电容。输出电压纹波与输出电容成反比，计算公式为 (V{RIPPLE(P - P)} = t{SW} cdot (1 - frac{V{IN}}{V{OUT}}) cdot frac{I{LOAD}}{C{OUT}})。
• 输入电容（CIN）：应使用 10μF 的 0402 陶瓷输入电容，并尽可能靠近 PVIN 引脚和 GND 放置，以减少寄生电感。由于直流偏置效应，输入电容的有效电容值会随输入电压升高而降低，因此应选择具有足够电压额定值的高质量电容。
• 电感（L1）：FAN48695 采用峰值电流限制，选择合适额定值的电感可在过载时将峰值电流安全限制在 ISW_LIM。同时，在选择电感时需考虑饱和效应。

7.2 布局指南

推荐的布局将所有组件放置在顶层，顶层铜箔为红色，底层铜箔为蓝色。为了散热，建议除开关节点外的所有平面尽可能增大敷铜面积。

八、总结

FAN48695 同步调节器凭借其丰富的特性、高效的工作模式和完善的保护功能，为单节锂或锂离子电池供电的设备提供了可靠的电源解决方案。在设计过程中，合理选择外部组件和优化布局，能够充分发挥该器件的性能优势，提高设备的稳定性和可靠性。电子工程师在实际应用中，需根据具体需求和设计要求，灵活运用 FAN48695 的各项特性，以实现最佳的电源管理效果。你在使用 FAN48695 或其他类似调节器时，遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。