ADP1876：高性能双输出同步降压PWM控制器的深度剖析

引言

在电子设计领域，电源管理芯片的性能直接影响着整个系统的稳定性和效率。ADP1876作为一款600 kHz双输出同步降压PWM控制器，凭借其丰富的特性和广泛的应用场景，成为众多工程师的首选。本文将对ADP1876进行全面解析，涵盖其特性、工作原理、应用信息以及关键参数设置等方面，为电子工程师在实际设计中提供有价值的参考。

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一、ADP1876特性概览

1. 电气特性

• 宽输入范围：支持2.75 V至20 V的输入电压，为不同电源环境提供了广泛的适应性。
• 输出灵活性：输出电压范围为0.6 V至90% (V_{IN})，可满足多种负载需求。
• 高输出电流：每通道输出电流超过25 A，能够为高功率负载提供稳定的电力支持。
• 精准参考电压：在 -40°C至 +85°C温度范围内，参考电压精度达到±0.85%，确保了输出电压的稳定性。

2. 功能特性

• 线性稳压器：集成1.5 V固定输出的线性稳压器，可提供150 mA的电流，适用于低功率负载。
• 相位偏移：两通道之间有180°的相位偏移，有效降低了输入电容需求，减少了输入电流纹波。
• 保护功能：具备过流限制保护、热过载保护、输入欠压锁定（UVLO）等多种保护机制，提高了系统的可靠性。
• 可编程功能：支持外部可编程软启动、斜率补偿和电流感测增益，增强了设计的灵活性。

二、工作原理

1. 整体架构

ADP1876基于固定频率、电流模式PWM控制架构，通过感应外部低侧MOSFET (R_{DSON})上的电压降来感测电感电流（谷值电感电流）。电流感测信号经过电流感测放大器处理后，与模拟电流斜坡信号一起输入到PWM比较器中。误差放大器则对反馈电压和COMP引脚产生的误差电压之间的误差进行积分，从而实现对输出电压的精确控制。

2. 同步整流与死区时间

同步整流（低侧MOSFET）通过取代异步降压调节器中常用的肖特基二极管，提高了效率。ADP1876中的防直通电路会监测SW和DL节点，调整高低侧驱动器，确保在高低侧MOSFET之间实现先断后通的开关操作，避免交叉导通或直通现象。死区时间并非固定值，取决于MOSFET的开关速度，在典型应用中，使用中等大小输入电容（约3 nF）的MOSFET时，死区时间约为30 ns。

3. 输入欠压锁定

当偏置输入电压 (V{IN}) 低于欠压锁定（UVLO）阈值时，开关驱动器保持不活动状态；当 (V{IN}) 超过UVLO阈值时，开关开始工作。

4. 内部线性稳压器（VCCO）

内部线性稳压器为低 dropout 类型，可调节输出电压VCCO，为内部控制电路和栅极驱动器供电。它保证了超过200 mA的输出电流能力，足以满足典型逻辑阈值MOSFET的栅极驱动需求。VCCO始终处于活动状态，不受EN1/EN2引脚控制。由于LDO为栅极驱动器提供电流，其输出会受到开关过程中瞬态电流的影响，但LDO经过优化，能够处理这些瞬态而不会出现过载故障。

5. 过压保护

ADP1876以600 kHz的固定频率PWM工作。当输出短路到高于调节电压的电压时，控制器的占空比会进行调制，通过在关断周期内使低侧N沟道MOSFET吸收电流，将输出稳定在预设的调节电压。

6. 电源良好指示（PGOOD）

PGOODx引脚是一个带有内部12 kΩ上拉电阻的开漏NMOS。在正常工作时，PGOODx内部上拉至VCCO；当反馈电压VFB高于过压阈值或低于欠压阈值时，经过12 µs的延迟后，PGOODx输出被拉至地。过压或欠压条件必须持续超过12 µs，PGOODx才会变为有效。此外，当检测到热过载条件时，PGOODx输出也会变为有效。

7. 短路和电流限制保护

当输出短路或输出电流连续八个周期超过由电流限制设置电阻（ILIMx和SWx之间）设定的电流限制时，ADP1876会关闭高低侧驱动器，并每10 ms重新启动软启动序列，即所谓的打嗝模式。在过流或短路事件期间，SS节点通过内部1 kΩ电阻放电至零。

8. 关机控制

EN1和EN2引脚分别用于启用或禁用ADP1876的通道1和通道2。EN1或EN2的精确使能阈值通常为0.63 V。当EN1或EN2电压高于0.63 V时，ADP1876启用并在软启动期后开始正常工作；当ENx电压低于0.57 V时，开关和内部电路关闭。需要注意的是，EN1/EN2不能关闭VOUTLDO或VCCO，它们始终处于活动状态。

9. 热过载保护

ADP1876内部有温度传感器，当芯片结温达到约155°C时，进入热关断状态，此时转换器、VCCO和VOUTLDO关闭，SSx通过内部1 kΩ电阻向零放电。当结温降至135°C以下时，经过软启动序列后恢复正常工作。

三、应用信息

1. 独立低压差线性稳压器

独立LDO稳压器的输入电压范围为2.7 V至5.5 V，输出固定为1.5 V，最大负载电流为150 mA。内部短路电流限制设置为约430 mA。为使LDO在规格范围内工作，需向VIN引脚供电。当VINLDO超过输入欠压锁定（UVLO）阈值时，LDO启用，具备短路保护和热过载关机等安全特性。

2. 设置控制器输出电压

通过从输出到FBx的电阻分压器来设置输出电压。分压器将输出电压分压至0.6 V的FBx调节电压，从而设定调节输出电压。输出电压可低至0.6 V，高至电源输入电压的90%。为保证调节电压的精度，需合理选择分压器电阻值，避免因FBx引脚的输入偏置电流影响输出电压准确性。

3. 软启动

软启动周期通过SS1或SS2与AGND之间的外部电容设置。软启动功能可限制输入浪涌电流，防止输出过冲。当EN1/EN2启用时，6.5 µA的电流源开始对电容充电，当SS1/SS2电压达到0.6 V时，达到调节电压。软启动周期可通过公式 (t{ss}=frac{0.6 V}{6.5 mu A} C{ss}) 近似计算。当控制器禁用时，软启动电容通过内部1 kΩ下拉电阻放电。

4. 设置电流限制

电流限制比较器通过测量低侧MOSFET上的电压来确定负载电流。电流限制由ILIMx和SWx之间的外部电流限制电阻RILIM设置。电流感测引脚ILIMx向该外部电阻提供标称50 μA的电流，产生的偏移电压为 (R{ILIM}) 乘以50 μA。当低侧MOSFET (R{DSON}) 上的压降等于或大于该偏移电压时，ADP1876标记电流限制事件。为确保系统能处理最大期望负载电流，需根据电感峰值电流、MOSFET的最大 (R_{DSON}) 和最小ILIM电流来设置最小电流限制。

5. 精确电流限制感测

由于MOSFET的 (R{DSON}) 在温度范围内可能变化超过50%，为实现精确的电流限制感测，可在低侧MOSFET源极与PGNDx之间添加电流感测电阻。确保电流感测电阻的功率额定值适合应用，并根据新的电阻值计算 (R{ILIM})。

6. 设置斜率补偿

在电流模式控制拓扑中，斜率补偿用于防止电感电流中的次谐波振荡，维持输出稳定。通过在RAMPx引脚与输入电压之间连接电阻来实现外部斜率补偿。电阻 (R{RAMP}) 可通过公式 (R{RAMP}=frac{3.6 × 10^{10} L}{A{CS} × R{DSONMAX}}) 计算，其中L为电感值，(R{DSONMAX}) 为低侧MOSFET的最大导通电阻，(A{CS}) 为电流感测放大器的增益。同时，需确保流入RAMPx的电流在6 µA至200 µA之间。

7. 设置电流感测增益

电流感测放大器通过将电感峰值电流与MOSFET的 (R{DSON}) 相乘来感测外部低侧MOSFET上的电压降，并将结果放大。增益可通过连接到DLx引脚的外部电阻RCSG编程为3 V/V、6 V/V、12 V/V或24 V/V。选择电流感测增益时，需确保内部最小放大电压（(V{CSMIN})）高于0.4 V，最大放大电压（(V{CSMAX})）为2.1 V，同时最大VCOMP（(V{COMPMAX})）不超过2.2 V，以考虑温度和器件间的变化。

8. 输入电容选择

降压转换器的输入电流为脉冲波形，输入电容需具备足够的纹波电流额定值和较低的等效串联电阻（ESR），以处理输入纹波并减轻输入电压纹波。通常使用两个并联电容，一个大容量电容和一个10 μF的陶瓷去耦电容，放置在高侧开关MOSFET的漏极附近。根据输出占空比和所需的输入纹波电压，可计算出最小输入电容值。

9. 输入滤波器

通常，从输入引脚（VIN）到AGND的0.1 µF（或更大值）旁路电容足以过滤任何不需要的开关噪声。但根据印刷电路板（PCB）布局，可能需要在VIN引脚处添加低通滤波器。通过在VIN串联2 Ω至5 Ω的电阻，并在VIN和AGND之间连接1 µF陶瓷电容，可有效过滤开关调节器引起的任何不需要的干扰。

10. 升压电容选择

为降低系统组件数量和成本，ADP1876在VCCO和BSTx之间集成了整流器（相当于升压二极管）。选择0.1 µF至0.22 µF的升压陶瓷电容，为高侧驱动器在开关过程中提供电流。

11. 电感选择

输出LC滤波器用于平滑SWx处的开关电压。对于大多数应用，选择电感值使电感纹波电流在最大直流输出负载电流的20%至40%之间。同时，需确保电感的饱和电流远高于特定设计的电感峰值电流。电感值可通过公式 (L=frac{V{IN}-V{OUT}}{f{SW} × Delta I{L}} × frac{V{OUT}}{V{IN}}) 计算。

12. 输出电容选择

选择输出大容量电容以设置所需的输出电压纹波。输出电容的阻抗（包括电容阻抗、等效串联电阻ESR和等效串联电感ESL）乘以纹波电流即为输出电压纹波。根据不同类型的输出电容（如电解电容、MLCC电容），可使用相应的公式计算输出电容值。同时，需确保输出电容的纹波电流额定值大于最大电感纹波电流。

13. MOSFET选择

MOSFET的选择直接影响DC - DC转换器的性能。应选择导通电阻低、栅极电荷低、热阻低的MOSFET。对于高侧MOSFET，需平衡导通损耗和开关损耗；对于低侧MOSFET，应优化其导通电阻以提高效率。在功率损耗超过MOSFET额定值或需要更低电阻时，可并联多个低侧MOSFET。

14. 环路补偿

ADP1876使用跨导误差放大器来稳定外部电压环路。在COMP和AGND之间添加RC补偿器即可完成补偿。通过一系列公式可计算出补偿组件 (R{COMP}) 和 (C{COMP}) 的值，同时需设置 (C{C2}) 在 (frac{1}{20} × C{COMP}) 至 (frac{1}{10} × C_{COMP}) 之间。

15. 开关噪声和过冲降低

在高速降压调节器中，栅极、开关节点（SW）和外部MOSFET的漏极会出现高频噪声和电压过冲。为减少电压振铃和噪声，可在SWx和PGNDx之间添加RC缓冲器。同时，在BST1引脚添加电阻或在栅极驱动器串联电阻也有助于减少过冲。但需注意，使用RC缓冲器会降低整体效率。

16. PCB布局指南

关于PCB布局的更多信息，可参考AN - 1119应用笔记《降压调节器的印刷电路板布局指南：双通道开关控制器的低噪声设计优化》。

四、典型应用电路

文档中给出了一个典型应用电路示例，输入电压范围为10 V至14 V，输出电压分别为5 V和1.8 V，输出电流均为13 A。电路中详细列出了各个组件的参数，如电容、电感、MOSFET等，为实际设计提供了参考。

五、封装和订购信息

ADP1876有32引脚、5 mm × 5 mm LFCSP封装，提供不同的温度范围选项。同时，还有评估板可供选择，方便工程师进行测试和验证。

六、总结

ADP1876作为一款高性能的双输出同步降压PWM控制器，具有丰富的特性和强大的功能。通过合理设置关键参数，正确选择组件，并遵循PCB布局指南，工程师可以充分发挥其优势，设计出高效、稳定的电源管理系统。在实际应用中，还需根据具体需求进行灵活调整，以满足不同的设计要求。希望本文能为电子工程师在使用ADP1876进行设计时提供有益的帮助。你在使用ADP1876的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。