5V起的工作電源IC電壓至12V母線

高達(dá)1.3A柵電流能力

TTL兼容5位可編程

輸出符合VRM 8.4：

1.3V至2.05V，0.05V二進(jìn)制步進(jìn)

2.1V至3.5V，0.1V二進(jìn)制步進(jìn)

電壓模式PWM控制

輸出精度高：±1%

過(guò)線和溫度

變化

快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)：

從0%到100%占空比

電源良好輸出電壓

過(guò)壓保護(hù)和

監(jiān)視器

實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)

使用上MOSFET的RdsON

200kHz內(nèi)部振蕩器

外部可調(diào)振蕩器

從50KHz到1MHz

軟啟動(dòng)和抑制功能

應(yīng)用

高級(jí)電源

微處理器核心

分布式電源

大功率DC-DC調(diào)節(jié)器

說(shuō)明

該設(shè)備是一種電源控制器，專門設(shè)計(jì)用于為大電流微處理器提供高性能的DC/DC轉(zhuǎn)換。精確的5位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）允許調(diào)整輸出電壓從1.30V到2.05V，50mV二進(jìn)制步進(jìn)，從2.10V到3.50V，采用100mV二進(jìn)制步進(jìn)。高精度的內(nèi)部基準(zhǔn)確保選擇的輸出電壓在±1%以內(nèi)。高峰當(dāng)前的門驅(qū)動(dòng)器提供了快速切換到提供低開(kāi)關(guān)損耗的外部功率mos。該裝置保證了對(duì)負(fù)載的快速保護(hù)過(guò)電流和負(fù)載過(guò)電壓。外部SCR是在發(fā)生故障時(shí)觸發(fā)撬開(kāi)輸入電源過(guò)電壓。還提供了內(nèi)部撬棍只要檢測(cè)到過(guò)電壓，就打開(kāi)低側(cè)mosfet。如果檢測(cè)到過(guò)電流，軟啟動(dòng)電容器放電，系統(tǒng)在打嗝模式下工作。

電氣特性（VCC=12V，環(huán)境溫度=25°C，除非另有規(guī)定）

設(shè)備說(shuō)明

該器件是采用BCD技術(shù)實(shí)現(xiàn)的集成電路。它提供完整的控制邏輯和保護(hù)為高性能降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器優(yōu)化微處理器電源。它是設(shè)計(jì)的在同步整流buck拓?fù)渲序?qū)動(dòng)N溝道m(xù)osfet。該裝置工作正常，Vcc范圍從5V到12V，并從1.26V功率級(jí)電源電壓（Vin）開(kāi)始調(diào)節(jié)輸出電壓。這個(gè)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓可精確調(diào)節(jié)，可編程VID引腳，從1.3V到2.05V50mV二進(jìn)制步進(jìn)，2.1V到3.5V，100mV二進(jìn)制步進(jìn)，溫度和線電壓變化的最大公差為±1%。該裝置提供快速瞬態(tài)響應(yīng)的電壓模式控制。它包括一個(gè)200kHz的自由運(yùn)行振蕩器，可從50kHz調(diào)節(jié)到1MHz。誤差放大器具有15MHz增益帶寬產(chǎn)品和10V/μs轉(zhuǎn)換速率，允許高轉(zhuǎn)換器帶寬以實(shí)現(xiàn)快速傳輸性能。產(chǎn)生的PWM占空比范圍為0%到100%。該設(shè)備可防止過(guò)電流進(jìn)入故障模式。設(shè)備通過(guò)使用上部的rDS（ON）監(jiān)測(cè)電流無(wú)需電流感應(yīng)電阻的MOSFET。該裝置提供SO20包裝。

振蕩器

開(kāi)關(guān)頻率在內(nèi)部固定為200kHz。內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生三角形波形為PWM充放電與恒流內(nèi)部電容器。電流輸送到振蕩器通常為50μA（Fsw=200kHz），可以使用連接在RT引腳和GND或VCC。因?yàn)镽T引腳保持在固定電壓（典型。1.235V），頻率可變按比例地從銷釘上沉（壓）入的電流。特別是連接到GND的頻率增加（電流從引腳下沉），根據(jù)以下關(guān)系：

將RT連接到VCC=12V或VCC=5V時(shí)，頻率降低（電流被強(qiáng)制進(jìn)入引腳），根據(jù)與以下關(guān)系：

開(kāi)關(guān)頻率變化與RT的關(guān)系如圖1所示。

請(qǐng)注意，向該引腳施加50μa電流時(shí)，由于沒(méi)有電流傳輸?shù)秸袷幤鳌?/p>

數(shù)模轉(zhuǎn)換器

內(nèi)置的數(shù)模轉(zhuǎn)換器允許將輸出電壓從1.30V調(diào)整到2.05V50mV二進(jìn)制步進(jìn)，2.10V到3.50V，100mV二進(jìn)制步進(jìn)，如前表1所示。這個(gè)對(duì)內(nèi)部基準(zhǔn)進(jìn)行了微調(diào)，以確保1%的精度。調(diào)節(jié)的內(nèi)部參考電壓由電壓識(shí)別（VID）引腳編程。這些是內(nèi)部DAC的TTL兼容輸入，通過(guò)提供內(nèi)部參考電壓的一系列電阻實(shí)現(xiàn)。VID代碼驅(qū)動(dòng)多路復(fù)用器，該多路復(fù)用器在分隔線的點(diǎn)。DAC輸出被傳送到獲得VPROG參考電壓的放大器（即誤差放大器的設(shè)定值）。提供內(nèi)部上拉（通過(guò)5μa電流發(fā)生器實(shí)現(xiàn)）；在這種情況下這樣，編程邏輯“1”就足夠讓引腳浮動(dòng)，而編程邏輯“0”就足夠短了引腳接地。電壓識(shí)別（VID）引腳配置還設(shè)置功率良好閾值（PGOOD）和過(guò)壓保護(hù)（OVP）閾值。VID代碼“11111”禁用該設(shè)備（作為SS引腳上的短路），并且不調(diào)節(jié)輸出電壓。

軟啟動(dòng)和抑制

在啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)10μa恒定電流向外部電容器CSS充電，產(chǎn)生斜坡，如如圖1所示。

當(dāng)軟啟動(dòng)電容器（VSS）上的電壓達(dá)到0.5V時(shí)，低功率MOS被導(dǎo)通至dis 給輸出電容充電。當(dāng)VSS達(dá)到1V（即振蕩器三角波的下限）時(shí)，上限MOS開(kāi)始開(kāi)關(guān)，輸出電壓開(kāi)始增加。VSS增長(zhǎng)電壓最初鉗制誤差放大器的輸出，因此VOUT線性增加，如圖2所示。在這個(gè)階段，系統(tǒng)以開(kāi)環(huán)的方式工作。當(dāng)VSS等于VCOMP時(shí)松開(kāi)誤差放大器輸出端的鉗位。在任何情況下，誤差放大器輸入端的另一個(gè)箝位保持激活狀態(tài)，允許VOUT以較低的斜率增長(zhǎng)（即VSS電壓的斜率，見(jiàn)圖2）。在第二階段，系統(tǒng)以閉環(huán)方式工作，參考值不斷增加。當(dāng)輸出電壓達(dá)到所需的值VPROG，以及誤差放大器輸入上的箝位被移除，軟啟動(dòng)完成。Vss增加到最大值約為4V。如果VCC和OCSET引腳同時(shí)存在，軟啟動(dòng)將不會(huì)發(fā)生，并且相關(guān)引腳內(nèi)部對(duì)地短路不超過(guò)自己的啟動(dòng)閾值。在正常運(yùn)行期間，如果在其中一個(gè)兩個(gè)電源中，SS引腳內(nèi)部對(duì)GND短路，因此SS電容器迅速放電。器件進(jìn)入抑制狀態(tài)，迫使SS引腳低于0.4V。在這種情況下，兩個(gè)外部MOSFET保持不變關(guān)閉。

司機(jī)室高、低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力允許使用不同類型的功率MOS（也可以是多個(gè)MOS降低RDSON），保持快速開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換。低壓側(cè)mos驅(qū)動(dòng)器由Vcc直接提供，而高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器由啟動(dòng)引腳提供。采用自適應(yīng)死區(qū)控制來(lái)防止交叉?zhèn)鲗?dǎo)，并允許使用多種類型的mos  fet。當(dāng)下柵極大于200mV時(shí)，避免了上mos導(dǎo)通，而下mos導(dǎo)通為如果相位引腳超過(guò)500毫伏，則應(yīng)避免。在任何情況下，上部mos在低壓側(cè)關(guān)閉。在5V和12V時(shí)，上（圖3）和下（圖4）驅(qū)動(dòng)器的峰值電流都是4nF電容性的這些測(cè)量中使用了荷載。對(duì)于較低的驅(qū)動(dòng)器，源峰值電流為1.1A@Vcc=12V和500mA@Vcc=5V，而sink峰值則為電流為1.3A@Vcc=12V，500mA@Vcc=5V。同樣，對(duì)于上層驅(qū)動(dòng)器，源極峰值電流為1.3A@Vboot V相=12V和600mA@Vboot  V相=5V，陷波峰值電流為1.3A@Vboot V相=12V，550mA@Vboot V相=5V

監(jiān)測(cè)和保護(hù)

輸出電壓通過(guò)引腳1（VSEN）進(jìn)行監(jiān)控。如果不在編程值的±12%（典型值）范圍內(nèi)值，則powergood輸出強(qiáng)制為低。當(dāng)輸出電壓達(dá)到比名義上的一個(gè)。如果輸出電壓超過(guò)此閾值，OVP引腳將被強(qiáng)制高電平，從而觸發(fā)外部SCR關(guān)閉電源（VIN），只要檢測(cè)到過(guò)電壓，就會(huì)打開(kāi)下部驅(qū)動(dòng)器。為了執(zhí)行過(guò)電流保護(hù)，該裝置比較了高壓側(cè)MOS的壓降，因?yàn)橥ㄟ^(guò)外部電阻（ROCS）的電壓連接在OCSET引腳和漏極之間上莫斯。因此，過(guò)電流閾值（IP）可通過(guò)以下關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算：

當(dāng)IOCS的典型值為200μA時(shí)。要計(jì)算ROCS值，必須將其視為最大值RDSON（也是隨溫度變化）和IOCS的最小值。為了避免意外觸發(fā)過(guò)電流保護(hù)必須滿足這種關(guān)系：

式中∆I為電感紋波電流，IOUTMAX為最大輸出電流。

在輸出短路的情況下，軟啟動(dòng)電容器以恒定電流（10μA典型值）放電，以及SS引腳達(dá)到0.5V軟啟動(dòng)階段重新啟動(dòng)。在軟啟動(dòng)過(guò)程中，過(guò)流保護(hù)始終處于活動(dòng)狀態(tài)，如果發(fā)生此類事件，設(shè)備將關(guān)閉兩個(gè)MOSFET，SS電容器將再次斷電（在達(dá)到約4V的上限值之后）。系統(tǒng)現(xiàn)在在“打嗝”模式下工作，如圖5a所示，在排除過(guò)流原因后，裝置重新正常工作電源開(kāi)關(guān)。

電感器設(shè)計(jì)

電感值由瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間、效率和成本之間的折衷來(lái)定義還有尺寸。必須計(jì)算電感器以維持輸出，并維持輸入電壓變化紋波電流∆IL在最大輸出電流的20%和30%之間。電感值可通過(guò)以下關(guān)系式計(jì)算：

其中fSW是開(kāi)關(guān)頻率，VIN是輸入電壓，VOUT是輸出電壓。圖5b顯示在VIN=5V和VIN=12V的情況下，紋波電流與不同電感值的輸出電壓之比。增加電感值會(huì)降低紋波電流，但同時(shí)也會(huì)降低轉(zhuǎn)換器負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間。如果補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)良好，裝置能夠打開(kāi)或關(guān)閉占空比高達(dá)100%或降至0%。響應(yīng)時(shí)間現(xiàn)在是電感器所需的時(shí)間將其當(dāng)前值從初始值更改為最終值。由于電感器尚未完成充電時(shí)間，輸出電流由輸出電容器提供。響應(yīng)時(shí)間越短，輸出電容越小必修的。負(fù)載瞬態(tài)的響應(yīng)時(shí)間因負(fù)載的應(yīng)用或移除而不同：如果在負(fù)載施加期間，電感器被等于輸入和輸出之間差的電壓充電電壓，在拆卸過(guò)程中，它只由輸出電壓放電。以下表達(dá)式給出了補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)足夠快的情況下∆I負(fù)載瞬態(tài)的近似響應(yīng)時(shí)間：

最壞的情況取決于可用的輸入電壓和選定的輸出電壓。不管怎樣，最壞的case是負(fù)載移除后的響應(yīng)時(shí)間，最小輸出電壓已編程，最大輸入電壓可用。

輸出電容器

由于微處理器在進(jìn)行負(fù)載瞬變時(shí)要求電流變化超過(guò)10A，因此輸出電容器是電源快速響應(yīng)的基本元件。在一開(kāi)始他們只提供幾微秒的電流。控制器立即識(shí)別負(fù)載瞬態(tài)，并將占空比設(shè)置為100%，但電流斜率受電感器值的限制。由于電容器內(nèi)部的電流變化（忽略ESL）：

∆VOUT=∆IOUT·ESR

在負(fù)載瞬態(tài)期間，需要一個(gè)最小的電容值來(lái)維持電流而不放電。這個(gè)輸出電容器放電引起的電壓降可通過(guò)以下公式得出：

其中，DMAX是最大占空比值，即100%。ESR越低，輸出降越低在負(fù)載瞬變過(guò)程中，輸出電壓的靜態(tài)紋波越低。

輸入電容器

因此，必須在輸入端產(chǎn)生電流紋波具有低ESR，以盡量減少損耗。該紋波的rms值為：

其中D是占空比。當(dāng)D=0.5時(shí)，方程達(dá)到最大值。最壞情況下的損失是：

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

控制回路是一種電壓模式（圖7），它使用降速功能來(lái)滿足VRM的要求模塊化，減小了輸出電容器的尺寸和成本。這種方法“恢復(fù)”了負(fù)載瞬態(tài)中由于輸出電容器ESR引起的部分壓降，引入了輸出電壓對(duì)負(fù)載電流的依賴性：在輕負(fù)載下，輸出電壓將高于標(biāo)稱水平，而在高負(fù)載下，輸出電壓將低于標(biāo)稱值。

如圖6所示，ESR降在任何情況下都存在，但使用降速函數(shù)，則輸出電壓最小。實(shí)際上，降速功能引入了與輸出電流成比例的靜態(tài)誤差（圖6中的Vdroop）。由于不存在感應(yīng)電阻，因此使用電感的固有電阻（幾個(gè)mΩ）。因此，在反饋信號(hào)中加入低通濾波電感電壓（即電感電流），以簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)下垂功能。指的是如圖7所示，閉環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)特性為：

式中，VPROG是數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓（即設(shè)定值），RL是電感抵抗。方程的第二項(xiàng)允許在零負(fù)載（∆V+）下產(chǎn)生正偏移；第三項(xiàng)引入下垂效應(yīng)（∆VDROOP）。注意，如果出現(xiàn)以下情況，下垂效應(yīng)等于ESR降：

考慮到先前的關(guān)系，可以確定R2、R3、R8和R9，以獲得期望的下垂效應(yīng)如下：為R2選擇一個(gè)在數(shù)百KΩ范圍內(nèi)的值，以獲得另一個(gè)的實(shí)際值組件。

根據(jù)上述等式，得出：

其中IMAX是最大輸出電流。

必須選擇部件R3，以獲得R3<<R8//R9，以允許這些和連續(xù)的簡(jiǎn)化。因此，在降速功能下，輸出電壓隨著負(fù)載電流的增加而降低，因此直流輸出阻抗等于電阻路徑。當(dāng)輸出阻抗與頻率恒定時(shí)，很容易驗(yàn)證負(fù)載傳輸下的輸出電壓偏差最小。另一個(gè)補(bǔ)償功能是選擇網(wǎng)絡(luò)側(cè)環(huán)的電壓。為了簡(jiǎn)化分析，假設(shè)R3<<Rd，其中Rd=（R8//R9）。

可以忽略R8與相位的連接來(lái)計(jì)算傳遞函數(shù)，因?yàn)椋绾竺鎸⒁吹降模@種連接只有在低頻時(shí)才重要。所以R4被認(rèn)為與VOUT有關(guān)。在此消耗下，電壓回路具有以下傳遞函數(shù)：

因?yàn)樵诟信d趣的范圍| Gloop |>>1。

為了得到一個(gè)平坦的形狀，考慮的關(guān)系自然會(huì)隨之而來(lái)。

演示板說(shuō)明

L6911C演示板顯示了標(biāo)準(zhǔn)VRM 8.4應(yīng)用程序中設(shè)備的操作。本次評(píng)估電路板允許通過(guò)開(kāi)關(guān)S1-S5調(diào)節(jié)電壓（1.3V-3.5V）和高輸出電流能力（高達(dá)14A）。設(shè)備由12V輸入軌供電，而電源轉(zhuǎn)換從5V輸入軌開(kāi)始。該設(shè)備還能夠在5V電源電壓下工作；在這種情況下，12V輸入可以直接連接到5V電源。四層演示板的銅厚度為70μm，以盡量減少傳導(dǎo)考慮到電路能夠傳輸?shù)母唠娏鳎瑩p耗。圖10顯示了演示板的自動(dòng)電路。

效率

圖11顯示了不同輸出電壓值下測(cè)量的效率與負(fù)載電流的關(guān)系。措施對(duì)于不同的輸出電壓值（2.05V和2.75V），在Vin=5V下進(jìn)行。兩種不同的測(cè)量方法采用5V和12V的集成電路供電。在應(yīng)用中，兩個(gè)并聯(lián)的MOSFET STS12NF30L（30V，10mΩ典型值@Vgs=4.5V）用于不管是低的還是高的。該電路板已經(jīng)被布置成可能使用多達(dá)三個(gè)SO8 MOSFET的高和低側(cè)開(kāi)關(guān)。兩個(gè)D2也可使用封裝MOSFET（高低壓側(cè)各一個(gè)），以便最大限度地滿足不同要求的靈活性。

負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

圖12顯示了演示板對(duì)加載的響應(yīng)瞬時(shí)應(yīng)用。施加的負(fù)載瞬態(tài)輸出電流從0A變?yōu)?4A（通道4）。可以觀察到，輸出電壓（通道1）在整個(gè)調(diào)節(jié)電壓。圖13顯示了有關(guān)電流上升和下降時(shí)的電路響應(yīng)可以觀察到相位信號(hào)（信道2）上升到100%或必要時(shí)降低至0%。

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