电子工程师必看：AP61040高效同步降压转换器深度解析

在电子设备的设计中，电源管理芯片的性能直接影响着整个系统的稳定性、效率和续航能力。今天我们要深入探讨的是Diodes Incorporated推出的AP61040高效同步降压转换器，它在低功耗应用领域表现卓越，下面就从多个方面为大家详细解析。

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一、产品概述

AP61040是一款低电流同步降压转换器，具备高效率、出色的瞬态响应和高直流输出精度等优点。其超低的静态电流（IQ）特性，使其成为健身可穿戴设备、健康监测设备、蓝牙设备以及其他手持设备等应用的理想选择。该调节器经过优化，可与2.2µH和10µF的输出电容器配合使用，能在2.15V至5.5V的输入电压范围内提供至少400mA的输出电流。

在可穿戴设备和低功耗手持设备中，高效稳定的电源管理至关重要。AP61040同步降压转换器以其超低IQ和出色性能脱颖而出。超低IQ能极大降低设备在待机或轻负载时的功耗，延长设备续航。其高转换效率减少了能量在转换过程中的损耗，降低了发热，提高了系统的稳定性。大家在设计类似设备时，是否也会优先考虑具有这些特性的电源管理芯片呢？

二、产品特性

（一）宽输入输出电压范围

输入电压范围为2.15V至5.5V，输出电压范围为0.6V至5.5V，还提供0.6V、2.5V和3.3V三个可选电压，能适应多种不同的电源和负载需求。

（二）高效输出

能够提供至少400mA的连续输出电流，效率高达95%，同时仅930nA的静态电流可最大化轻载效率，有效降低了功耗。

（三）高开关频率

1.1MHz的开关频率，有助于减小外部组件的尺寸，从而节省电路板空间。

（四）可编程操作模式

可通过EN引脚进行可编程操作模式设置，支持脉冲频率调制（PFM）和脉冲宽度调制（PWM），能根据不同的输出负载灵活选择合适的工作模式。

（五）全面保护功能

具备过流、短路、过温和欠压锁定等全面的保护功能，可有效保障芯片和电路的安全稳定运行。

（六）环保特性

完全无铅，符合RoHS标准，且不含卤素和锑，是绿色环保器件。

一、引言

在可穿戴设备和低功耗手持设备中，高效稳定的电源管理至关重要。AP61040同步降压转换器以其超低IQ和出色性能脱颖而出。超低IQ能极大降低设备在待机或轻负载时的功耗，延长设备续航。其高转换效率减少了能量在转换过程中的损耗，降低了发热，提高了系统的稳定性。大家在设计类似设备时，是否也会优先考虑具有这些特性的电源管理芯片呢？

二、产品特性

（一）宽输入输出电压范围

输入电压范围为2.15V至5.5V，输出电压范围为0.6V至5.5V，还提供0.6V、2.5V和3.3V三个可选电压，能适应多种不同的电源和负载需求。

（二）高效输出

能够提供至少400mA的连续输出电流，效率高达95%，同时仅930nA的静态电流可最大化轻载效率，有效降低了功耗。

（三）高开关频率

1.1MHz的开关频率，有助于减小外部组件的尺寸，从而节省电路板空间。

（四）可编程操作模式

可通过EN引脚进行可编程操作模式设置，支持脉冲频率调制（PFM）和脉冲宽度调制（PWM），能根据不同的输出负载灵活选择合适的工作模式。

（五）全面保护功能

具备过流、短路、过温和欠压锁定等全面的保护功能，可有效保障芯片和电路的安全稳定运行。

（六）环保特性

完全无铅，符合RoHS标准，且不含卤素和锑，是绿色环保器件。

从搜索到的资料来看，同步降压转换器通常具有较高的效率，AP61040的高效输出特性与之相符，其低静态电流和高转换效率进一步提升了整体性能。高开关频率有助于减小外部无源器件的尺寸，这与AP61040通过高开关频率节省电路板空间的特性相呼应。而可编程操作模式和全面保护功能也是同步降压转换器在实际应用中所需要的重要特性。

三、引脚说明

引脚编号	引脚名称	功能
A1	SW	开关节点
A2	VIN	逻辑控制电路的输入电源
B1	EN	使能输入，用于开启或关闭调节器，还可用于编程操作模式
B2	PGND	功率地和用于控制的模拟地
C1	VSEL1	输出电压选择引脚1
C2	FB	输出电压的反馈传感端子

在实际设计中，我们需要根据这些引脚的功能，合理连接外部电路，以实现AP61040的各项性能。例如，EN引脚的正确使用对于控制芯片的工作模式和功耗至关重要。

四、电气特性

（一）静态电流

关机时的静态电流仅为34nA（典型值），工作时的静态电流为930nA（典型值），在PFM模式下为1000nA（典型值），PWM模式下为93μA。

（二）电压阈值

电源开启复位电压阈值上升沿为2.07 - 2.15V，欠压锁定阈值下降沿为1.90 - 2.00V，滞回为170mV。

（三）开关电阻

高端开关导通电阻为321 - 440mΩ，低端开关导通电阻为150 - 210mΩ。

（四）电流限制

高端正电流限制为600 - 800mA，低端电流限制为470mA（源极到漏极），低端负电流限制为400mA（漏极到源极）。

（五）振荡器频率

振荡器频率为1.1MHz。

（六）反馈电压

当VSEL1接地时，反馈电压为2.450 - 2.550V；当VSEL1接VIN时，反馈电压为3.235 - 3.365V。

这些电气特性是我们在设计电路时需要重点关注的参数，它们直接影响着AP61040的性能和稳定性。例如，静态电流的大小决定了芯片在待机状态下的功耗，而电压阈值和电流限制则关系到芯片的保护功能和正常工作范围。

五、典型应用

（一）应用场景

适用于可穿戴设备、健身追踪器、智能手表、健康监测仪、蓝牙低功耗设备等超低功耗应用，以及能量收集等领域。

（二）典型电路

文档中给出了典型应用电路和功能框图，通过这些电路可以实现AP61040的各项功能。在设计实际电路时，我们可以参考这些典型电路，并根据具体需求进行适当的调整。

六、应用信息

（一）工作原理

AP61040采用电流模式控制，集成了功率MOSFET，能够保证出色的线性调节、负载调节和较宽的环路带宽，以快速响应负载瞬变。

（二）使能控制

当禁用时，设备关机静态电流仅为0.1μA。当施加的电压大于EN逻辑高阈值时，芯片启用所有功能并启动软启动阶段；当EN电压低于逻辑低阈值时，设备停止工作。通过EN引脚还可以选择PFM或PWM工作模式。


 

（三）输出电压设置

可以通过外部电阻分压器或VSEL1引脚来设置输出电压。使用外部电阻分压器时，需要添加39pF的CFF电容来改善环路响应和保持输出稳定性；使用VSEL1引脚时，需要将FB直接连接到输出，并且VSEL1和VSEL2的最大转换时间必须小于100μs，以避免出现未定义的电压状态。

（四）保护功能

1. 过流保护：检测高端Q1的电流限制，当达到限制时，高端Q1关闭，低端Q2打开，频率降低。连续17个周期处于过流保护事件后，调节器进入打嗝模式，等待15ms后尝试重启。
2. 反向电流保护：在固定频率操作期间，开关Q2上的反向电流比较器监测进入VOUT的电流，当电流超过400mA（典型值）时，开关Q2在剩余的开关周期内关闭，以保护降压转换器免受过大的反向电流影响。
3. 欠压锁定：当输入电压低于欠压锁定阈值时，调节器禁用，防止异常操作。
4. 热关断：当芯片温度达到+150°C（典型值）时，调节器完全关闭，当温度降至+125°C（典型值）时，设备恢复正常工作，并执行软启动序列。
5. 输出主动放电：芯片提供一个内部50Ω电阻，用于在调节器禁用时将输出电容中存储的能量放电到PGND。

（五）组件选择

1. 电感选择：应使用具有高频磁芯材料（如铁氧体磁芯）的电感，以最小化磁芯损耗并提供良好的效率。推荐使用饱和电流额定值≥600mA的2.2μH电感，并选择具有低DCR的电感。在需要最小化辐射噪声的应用中，可以使用环形或屏蔽电感。
2. VIN和VOUT电容选择：输入和输出电容应选用具有低ESL和ESR的陶瓷X5R类型。推荐输入电容值为10μF，输出电容为10μF、10V、X5R。需要注意的是，陶瓷电容的有效值会随直流电压偏置而降低，应确保组合后的有效输出电容至少为30μF，以保证在整个推荐负载电流范围内正常工作。

（六）PCB布局

AP61040工作在400mA负载电流下，推荐在顶层和底层使用2oz铜。正确的PCB布局对于芯片的正常工作至关重要，以下是一些布局建议：

1. 输入和输出电容应直接跨接在VIN - PGND之间，并尽可能靠近芯片，以确保无噪声操作。
2. 输入和输出电容的接地连接应尽可能短，以最小化输入和输出电容接地焊盘与芯片PGND引脚之间的电流环路。必要时可使用过孔，以利用调节器下方的PCB接地层。
3. 第二层填充PGND，单点连接GND到第二层的PGND。
4. 最小化反馈环路的走线长度，避免在反馈环路上使用过孔，以减少电路板寄生效应的影响，特别是在负载瞬变期间。
5. SW走线应尽量短。

七、封装信息

（一）订购信息

可订购的产品型号为AP61040CP6 - 7，采用X1 - WLB1208 - 6封装，封装代码为CP6，包装数量为3000，采用卷带包装，产品编号后缀为 - 7。

（二）封装尺寸

X1 - WLB1208 - 6封装的尺寸如下：	尺寸	最小值	最大值	典型值
A	0.400mm	0.500mm	0.450mm
A1	0.155mm	0.195mm	0.175mm
A2	0.225mm	0.275mm	0.250mm
A3	0.020mm	0.030mm	0.025mm
b	0.200mm	0.260mm	0.230mm
D	1.160mm	1.220mm	1.190mm
D1	0.770mm	0.830mm	0.800mm
E	0.760mm	0.820mm	0.790mm
E1	0.370mm	0.430mm	0.400mm
e	0.400mm BSC	-	-
SD	0.000mm BSC	-	-
SE	-	0.200mm BSC	-

（三）机械数据

该芯片的湿度敏感度为1级（J - STD - 020），引脚表面处理为哑光镀锡，可焊接（MIL - STD - 202，方法208），重量约为0.7mg。

八、总结

AP61040同步降压转换器以其高效、低功耗、全面保护和可编程等特性，为可穿戴设备和超低功耗应用提供了优秀的电源管理解决方案。在设计过程中，我们需要根据其引脚功能、电气特性和应用信息，合理选择外部组件和进行PCB布局，以充分发挥其性能优势。同时，我们也要注意芯片的各项保护功能和工作条件，确保电路的安全稳定运行。大家在使用AP61040进行设计时，是否遇到过一些挑战呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。