稳压器

DC/DC开关稳压器从诞生以来，一直在持续的改良中。对于芯片驱动电流、开关频率、转换效率、线路简化、减小尺寸，各种天才的创意及产品层出不穷。便携、高效率、绿色节能的要求迫使芯片供应商在提升效率、缩小尺寸、提升可靠性等诸多应用的角度推出新一代的产品。圣邦微电子在过去的几年时间内，针对DC/DC稳压器领域做出一系列规划，在低压和高压领域都有涉足。SGM6601作为SG MICRO升压DC/DC稳压器的代表，已经在电池供电领域以及消费类电子市场中取得一席之地。
   图1是SGM6601内部功能单元框图。
   
   SGM6601设计目的在于以电池（AA、锂电池、镍氢电池）为输入电源，为系统提供升压应用。内部包含限流检测电路（400mA Current Limit）单元、软启动（Soft Start）单元、电压基准单元（1.227V VREF）、欠压锁定（Under Voltage Lockout）、过温检测保护电路等。欠压锁定单元可以检测到当输入电压低于1.5V状态下，关闭芯片开关动作；软启动单元实现芯片防止开机启动大电流的功能；限流检测电路用于防止芯片短路或者大负载条件下损坏内部功率管的功能。SGM6601的最大亮点则是通过改善芯片内部开关性能，优化芯片效率及静态功耗，达到在空载条件下静态电流的典型值为20µA的优异性能。
   图2是SGM6601在不同输入电压及负载条件下的效率曲线。
   
   SGM6601自发布以来，已经得到众多客户的应用，例如基于2节干电池的9V升压应用方案；基于锂电池升压的OLED驱动方案；智能机上流行的Sharp高亮屏的供电解决方案。下面会针对这几种典型应用案例作分析，对SGM6601的特性进一步阐述。
   首先我们针对基于2节干电池9V升压应用的案例进行分析。
   图3是SGM6601实现9V升压电路原理图，输出电压等于1.227 × (1 + R18/R16) = 9V。
   
   SGM6601的工作电压范围为1.8V ~ 6V，输出电压最高可达38V。当VBATT上电时，芯片内部功率MOSFET导通，软启动功能保证了电路中逐步增加的电流流过电感、功率MOSFET和内部电流检测电阻RSENSE；SGM6601的FB（反馈）脚检测输出电压，只要反馈电压低于基准参考电压（典型值1.227V），则功率MOSFET保持导通，电流继续上升；当电流达到内部限流上限400mA，则关断功率MOSFET；SGM6601内部最大导通时间限制功能则保证某些极端条件下，导通时间超过6µs（典型值）时截止功率MOSFET；关断功率MOSFET时，电流中断会升高电感上的电压，使外部的肖特基二极管正偏并导通，等效为续流二极管保证电流输出，直至达到设定的输出电压9V。
   升压芯片在线路设计中，还必须考虑一些极端使用条件，例如在面对线路对地短路的情况。整个升压电路会对地形成一个通路，电流会流过功率电感、二极管，直接对地短路，这成为系统电源安全性的隐患。在图3应用电路中就考虑到这种情况，通过增加输入端的PMOS功率管Si2301，起到物理电路开关的作用。在遇到负载端对地短路的情况下，可以通过断开功率PMOS来实现切断电池放电回路，避免大电流放电导致的电池安全隐患。
   对基于锂电池电源进行升压的OLED驱动方案和市面上流行的Sharp高亮屏的供电解决方案来说，两者唯一的区别在于升压电路的输出电压不同，外围电路只需要对分压电阻的阻值进行调整即可。智能手机在带动整个手机行业的变革的同时，也改变了整个电子产业链的应用理念，让手机从单纯的通讯工具，变成一个集个人媒体娱乐、学习、工作的平台。如何从用户体验的角度取悦终端用户，更省电、色彩表现更丰富成为显示终端的基本考核点，也成为市场产品研发的重心。下面我们会介绍SGM6601基于锂电池供电的OLED驱动方案。
   图4 是SGM6601基于锂电池供电的OLED升压驱动方案。VOUT = 1.227 × (1+R2/R1) = 18V（根据OLED材质不同，供电电压值会有所差异）。
   

   该升压电路同样会遇到电池对地短路的安全隐患，设计工程师选择了与9V升压方案不同的保护措施。在电源输入端通过增加SGM2019（3.3V稳压LDO），起到电路开关的作用。同时LDO的EN 脚控制电平可以兼容CMOS及TTL电平。与功率PMOS相比，对控制电平的兼容性要求更低。对于在电路设计中如何提升整体性能、降低输出电压纹波、减少对系统EMI辐射干扰等牵涉到外围电感、二极管、电阻、电容的配置的应用细节，都与PCB布局有着极大的关联，这些都可以在图4的电路设计中得到体现。
   PCB布局是提高DC/DC性能的关键步骤，而好的PCB布局则依赖于对整个系统电路电流路径进行深刻理解。对于工程师来讲，要提升SGM6601整体电路性能，就需要对SGM6601的开关电流回路进行深刻了解。图5是SGM6601电路中电流路径示意图。
   
   绿色是开关导通电流路径，蓝色是开关关断电流路径，红色是突变电流路径。
   
   对于DC/DC稳压器的PCB设计布局，需要特别注意大电流回路和开关电流的干扰以及输入输出的电容放置。如果布局不合理，容易产生噪声干扰问题和线路震荡造成输出电压不稳。在图3的设计电路中，输入电容E8应被摆放在靠近输入引脚的地方，如果有条件的话，可以考虑利用Л形滤波电路来滤除源自输入电压的噪声干扰或者参考图4电路设计，利用LDO抑制来自电源的干扰。电感和二极管应该放在尽可能靠近SW引脚附近，二者与SW间的走线要尽可能短，以减轻走线寄生参数对电路造成影响。在材质上则应该尽量选用带有屏蔽罩、等效直流阻抗较低的电感，避免对系统造成EMI干扰问题，提升系统效率（阻抗越低，电感上的功率损耗越低）。SGM6601的反馈回路表现为高阻抗特性，在PCB布局中要远离电感，并且反馈电阻与FB脚组成的回路面积应尽可能的小，以减小耦合系统噪声的可能。对于输出电压纹波抑制部分，可以参考在图4电路中采用增加与R2电阻并联C5反馈电容的方式，降低输出电压上的纹波。与加大后端C3的容值相比较，工程师更愿意从成本及尺寸角度考虑，用一个小容值的C5得到同样的效果。关于反馈电容容值的计算，可以参考SGM6601规格书中相关的计算公式。
   作为传统异步升压的DC/DC稳压器中的一种，SGM6601性能较同类早期产品有了较大提升。在欠压锁定、限流保护、软启动等功能单元的优化设计，提升了电池供电系统的可靠性与稳定性，更符合便携类产品的市场应用需求。