RAA211230：高性能24V 3A集成开关稳压器的设计与应用

作为电子工程师，在电源管理领域，我们总是在寻找性能卓越、功能丰富且易于使用的稳压器。今天，我将为大家详细介绍Renesas的RAA211230——一款24V 3A集成开关稳压器，深入探讨它的特点、应用以及设计要点。

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一、RAA211230概述

RAA211230是一款集成的24V、3A同步降压稳压器，采用电流模式恒定导通时间（COT）控制。它具有全面的保护功能，包括输入欠压锁定（UVLO）、过流保护（OCP）、输出欠压保护（OUVP）和过温保护（OTP），能有效保障系统的稳定运行。该器件采用6引脚TSOT23封装，体积小巧，适合多种应用场景。

应用领域

• 通用用途：在各种电子设备中提供稳定的电源。
• 工业电源：满足工业环境对电源可靠性和稳定性的要求。
• 嵌入式系统和I/O电源：为嵌入式系统和I/O接口提供合适的电源。

主要特性

• 宽输入电压范围：支持4.5V至24V的输入电源，适应不同的供电环境。
• 高输出电流能力：能够提供高达3A的输出电流，满足大多数负载的需求。
• 集成MOSFET：集成了高端（85mΩ）和低端（45mΩ）MOSFET，减少了外部元件的使用，降低了成本和电路板空间。
• 低静态电流：静态电流仅为400μA，有助于提高系统的效率和电池续航能力。
• 快速响应：最小导通时间为60ns，最小关断时间为275ns，能够快速响应负载变化。
• 高精度参考电压：参考电压为0.765V，精度为2%，确保输出电压的稳定性。
• 轻载PFM模式：在轻载条件下采用PFM模式，进一步提高效率。
• 内部补偿：采用电流模式COT控制并带有内部补偿，简化了设计过程。
• 软启动功能：内部软启动时间为0.8ms，可防止启动时的过冲电流。

二、引脚信息

引脚分配

RAA211230采用6引脚TSOT23封装，各引脚功能如下：	引脚编号	引脚名称	描述
1	GND	接地
2	SW	开关节点引脚，连接到输出电感和自举电容
3	VIN	芯片的电压输入引脚，连接到芯片工作范围内的稳定电压源，并在VIN和GND之间靠近芯片处放置陶瓷电容进行去耦
4	FB	稳压器的反馈输入引脚，通过外部电阻分压器连接到FB来设置输出电压，正常工作时FB电压为0.765V
5	EN	精确的使能信号引脚
6	BST	自举电源引脚，连接一个0.1μF的电容到SW

引脚应用要点

• VIN引脚：为了减少电源噪声和纹波，应在VIN引脚附近放置一个大容量的陶瓷电容，如10μF或更大。同时，要确保电源的内阻尽可能小，以提供稳定的输入电压。
• FB引脚：反馈电阻的选择对输出电压的精度至关重要。根据公式 $R{FB1}=R{FB2} × frac{V{OUT }-0.765}{0.765}$ 来计算 $R{FB1}$ 的值，其中 $R_{FB2}$ 推荐值为10kΩ。为了减少噪声干扰，反馈电阻应尽量靠近FB引脚。
• EN引脚：可以将EN引脚直接连接到VIN实现始终开启的操作，也可以通过电阻分压器连接VIN和EN来编程 $V_{IN}$ UVLO阈值。

三、规格参数

绝对最大额定值

在使用RAA211230时，必须注意其绝对最大额定值，避免超过这些限制导致器件损坏。例如，VIN的最大电压为26V，最大结温为150°C等。具体参数如下：	参数	最小值	最大值	单位
VIN	-0.3	26	V
EN	-0.3	VIN + 0.3	V
SW	-0.7	26.3	V
SW (20ns transient)	-3	28	V
BST	SW + 5.5		V
所有其他引脚	-0.3	5	V
最大结温	-40	+150	°C
最大存储温度范围	-65	+150	°C
人体模型（按JS - 001 - 2017测试）		2.5	kV
带电设备模型（按JS - 002 - 2018测试）		1	kV
闩锁（按JESD78E测试；2类，A级）		100	mA

热信息

了解器件的热特性对于确保其在正常温度范围内工作至关重要。RAA211230的热阻参数如下：	参数	封装符号	条件	典型值	单位
θJA[1]		结到空气，元件安装在具有直接连接特性的高有效导热率测试板上	105	°C/W
θJA_EVB[2]		结到空气，元件安装在RTKA211230DE0020BU评估板上	51	°C/W
θJC[3]		结到外壳，外壳温度测量位置为封装顶部中心	45	°C/W

推荐工作条件

为了保证RAA211230的性能和可靠性，建议在以下条件下工作：	参数	最小值	最大值	单位
输入电压，VIN	4.5	24	V
输出电压，VOUT	0.765	14	V
输出电流，IOUT	0	3	A
结温，TJ	-40	+125	°C

电气规格

RAA211230的电气规格涵盖了多个方面，如静态电流、开关频率、反馈电压等。以下是一些重要的电气参数：	参数	符号	测试条件	最小值[1]	典型值	最大值[1]	单位
静态电流	la	EN = 2V，VFB = 0.8V，无开关		400		μA
关断电流	ISH	EN = 0V，VIN = 12V，无开关		1.5	5	μA
VIN欠压锁定		VIN上升		4.3	4.55	V
VIN欠压滞后		VIN下降		425		mV
输出电压范围	VOUT	受toFF_MIN，tON_MIN限制	VFB	-	14	V
使能阈值电压	VEN	EN上升	1.2	1.3	1.45	V
使能电压滞后				0.1		V
使能关断阈值	VENL			0.7		V
EN引脚到GND的电阻	REN	VEN = 2V		2000	-	kΩ
开关频率范围	fsw	VFB = 0.765V，VOUT = 1.05V，IOUT = 1A，VIN = 12V		500		kHz
最小关断时间	toFF_MIN			275	380	ns
最小导通时间	tON_MIN			60		ns
内部软启动时间				0.8		ms
反馈电压参考	VFB	VIN = 12V，EN = 2V，25℃	0.75	0.765	0.78	V
反馈电压线性调整率				±0.005		%/V
高端导通电阻	rDS(ON)H	VBST - VSW = 5.1V		85		mΩ
低端导通电阻	rDS(ON)_L			45		mΩ
电流限制	LIM_L	谷底电流，低端FET，toFF > 100ns时有效	2.7	3.1	3.5	A
欠压保护	FB_UV	故障阈值，VF下降，软启动完成		500		mV
打嗝软启动完成时间	tHICCUP_ON			1.25		ms
打嗝关断时间	tHICCUP_OFF			13		ms
热关断	TSD			170		°C
热滞后	ΔTSD			20		°C

四、典型性能曲线

通过典型性能曲线可以直观地了解RAA211230在不同条件下的性能表现。以下是一些重要的性能曲线：

• 效率 vs 负载电流：展示了在不同输出电压下，稳压器的效率随负载电流的变化情况。可以看到，在轻载和重载条件下，效率都能保持在较高水平。
• 负载调整率：反映了输出电压随负载电流变化的情况。在不同输出电压下，负载调整率都很小，说明稳压器具有良好的负载调节能力。
• 线性调整率：表示输出电压随输入电压变化的情况。线性调整率也非常小，确保了输出电压的稳定性。
• 开关频率 vs 负载电流：显示了开关频率随负载电流的变化趋势。在不同负载电流下，开关频率基本保持稳定。

五、故障和故障处理

系统级故障总结

RAA211230具有多种故障保护功能，当发生故障时，会采取相应的措施来保护器件和系统。主要的故障类型和处理方式如下：	故障类型	检测激活条件	检测延迟	电路行为
VIN UVLO下降	EN高于阈值	2μs	当UVLO条件满足时，POR（上电复位）重启，从初始复位状态开始
过温（OT）关断	EN引脚变高且芯片处于激活状态后	立即	使用内部稳压器进行POR，启动打嗝定时器
VOUT欠压（UV）	软启动完成后，打嗝导通时间之后	立即	软启动完成（0.8ms）后，如果VOUT降至设定值的65%且达到LSOC限制，则启动打嗝定时器
低端过流（LSOC）限制	降压稳压器开始开关	立即	如果检测到LSOC，器件将保持低端FET导通，直到电流降至LSOC限制以下

故障处理要点

• VIN UVLO：为了避免VIN UVLO误触发，应确保输入电压的稳定性，并在设计中考虑适当的滤波和去耦措施。
• 过温保护：在设计散热方案时，要充分考虑器件的热特性，确保结温不超过最大允许值。可以采用散热片、风扇等散热措施。
• VOUT欠压保护：当出现VOUT欠压故障时，要检查负载是否过大、输出电容是否足够、反馈电阻是否正确等。
• LSOC保护：选择合适的电感和MOSFET，确保其能够承受最大负载电流和过流情况。同时，要注意电感的饱和电流和MOSFET的导通电阻。

六、功能描述

工作原理

RAA211230采用电流模式COT控制，通过外部反馈电阻感测输出电压，并与内部参考电压0.765V进行比较，产生控制信号来决定高端FET的导通时间。在轻载条件下，稳压器采用PFM模式，以提高效率；在重载条件下，采用CCM模式，保持开关频率恒定。

软启动功能

软启动功能可以防止启动时的过冲电流和输出电压过冲。在启动过程中，内部参考电压从0V逐渐上升到0.765V，时间为0.8ms。

欠压锁定功能

稳压器在VIN引脚具有欠压锁定（UVLO）功能，当输入电压低于4.3V（典型值）时，稳压器不会启动。UVLO阈值具有约425mV的滞后，以防止在输入电压波动时出现误触发。

使能控制功能

RAA211230具有精确的使能控制功能，通过EN引脚来控制稳压器的开启和关闭。EN引脚的上升阈值电压为1.3V（典型值），阈值滞后为0.1V。当EN引脚电压低于0.7V时，芯片进入关断模式。

过流保护和输出欠压保护功能

稳压器具有低端过流（LSOC）保护功能，当检测到低端MOSFET的电流超过电流限制时，会跳过高端周期，直到LSOC条件消除。同时，还具有VOUT欠压保护功能，当FB引脚电压降至参考电压的65%以下时，稳压器停止开关，并进入打嗝模式，间隔为13ms。

过温保护功能

过温保护（OTP）功能可以限制RAA211230的最大结温。当结温超过170°C（典型值）时，稳压器会关闭，直到结温下降到130°C以下，然后通过软启动重新启动。

七、应用信息

推荐组件选择

在典型应用中，需要选择合适的组件来确保稳压器的性能。以下是推荐的组件选择：	VIN(V)	VoUT(V)	RFB1(KΩ)	RFB2(kΩ)	L(μH)	COUT(μF)
12	1.8	13.7	10	2.2	68
12	3.3	33.2	10	3.3	37
12	5	54.9	10	4.3	25
12	8	95.3	10	4.7	15
5	1.05	3.74	10	1.5	122
5	1.8	13.7	10	2	68
5	3.3	33.2	10	1.8	37
24	1.8	13.7	10	3	68
24	3.3	33.2	10	4.3	37
24	5	54.9	10	5.6	25
24	12	147	10	8.7	10

输出电压反馈电阻分压器

输出电压可以通过从VOUT到FB引脚再到GND的电阻分压器进行编程。推荐的 $R{FB2}$ 电阻值为10kΩ，根据公式 $R{FB1}=R{FB2} × frac{V{OUT }-0.765}{0.765}$ 计算 $R{FB1}$ 的值。为了减少噪声干扰，反馈电阻的总和 $(R{FB1}+R_{FB2})$ 推荐范围为5kΩ至150kΩ。

电感选择

为了最小化功率损耗，应选择直流电阻（DCR）尽可能低的电感。电感的饱和电流额定值应足够高，以容纳直流负载电流和交流纹波电流，并为过载情况留出一定的余量。电感值的选择会影响输出纹波电压和响应时间，一般建议电感纹波电流为最大输出电流的20%至50