ADP1870/ADP1871同步降压控制器：特性、原理与应用设计

在电子电路设计中，电源管理模块的性能直接影响着整个系统的稳定性和效率。ADP1870/ADP1871作为一款多功能的电流模式同步降压控制器，凭借其卓越的性能和丰富的特性，在众多领域得到了广泛应用。本文将深入探讨ADP1870/ADP1871的特性、工作原理、应用信息以及设计要点。

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一、器件特性

1.1 电气特性

• 宽输入电压范围：ADP1870/ADP1871的电源输入电压范围为2.95 V至20 V，能够适应多种不同的电源环境。
• 低输出电压：支持最低0.6 V的输出电压，且具有±1.0%精度的0.6 V参考电压，可满足对输出电压精度要求较高的应用。
• 多频率选项：提供300 kHz、600 kHz和1.0 MHz三种频率选项，可根据具体应用需求进行选择，增强了器件的灵活性。

1.2 功能特性

• 无需电流检测电阻：采用低侧电流检测和电流增益方案，无需额外的电流检测电阻，减少了外部元件数量，降低了成本和电路板空间。
• 电源节省模式（PSM）：ADP1871具有电源节省模式，在轻负载时可通过脉冲跳跃来维持输出调节，提高系统效率。
• 保护功能：具备热过载保护、短路保护等功能，确保器件在异常情况下的安全性和可靠性。

1.3 封装特性

采用小型的10引脚MSOP和LFCSP封装，体积小巧，适合对空间要求较高的应用。

二、工作原理

2.1 启动过程

ADP1870/ADP1871内部有一个用于偏置和为集成MOSFET驱动器供电的内部稳压器（VREG）。在启动时，电流检测放大器、电流检测增益电路、软启动电路和误差放大器等模块依次启动。电流检测模块通过在DRVL输出和PGND引脚之间施加0.4 V电压，根据DRVL和PGND之间的电阻产生电流，从而设置电流检测放大器的增益。经过约800 µs后，驱动信号脉冲同步出现在DRVL和DRVH引脚，输出电压通过软启动序列开始上升。

2.2 软启动

ADP1870/ADP1871具有数字软启动电路，通过一个计数器在每个周期通过固定的内部电容以1 µA的增量增加电流，输出通过产生PWM输出脉冲跟踪斜坡电压，从而限制从高电压输入电源（VIN）到输出（VOUT）的浪涌电流。

2.3 精密使能电路

采用精密使能电路，使能阈值典型值为285 mV，具有35 mV的迟滞。当COMP/EN引脚释放时，误差放大器输出上升超过使能阈值，器件被启用；将该引脚接地则禁用器件，使器件的电源电流降至约140 µA。

2.4 欠压锁定（UVLO）

UVLO功能可防止器件在极低或未定义的输入电压（VIN）范围内工作，避免因偏置电压不稳定导致信号错误传播到高端功率开关，从而损坏输出设备。UVLO电平设定为2.65 V（标称值）。

2.5 编程电阻（RES）检测电路

启动时，RES检测电路首先激活，在DRVL输出施加0.4 V参考值，通过内部ADC输出2位数字代码，对电流检测放大器的四种增益配置进行编程，分别对应3 V/V、6 V/V、12 V/V和24 V/V的电流检测增益。

2.6 谷值电流限制设置

基于谷值电流模式控制架构，电流限制由下侧MOSFET的 (R_{ON})、误差放大器输出电压摆幅（COMP）和电流检测增益三个因素决定。通过合理设置电流检测增益电阻，可以根据负载需求设置合适的谷值电流限制。

2.7 打嗝模式

当检测到32次电流限制违规时，控制器进入空闲模式，关闭MOSFET 6 ms，让转换器冷却，然后重新启动软启动过程。如果违规仍然存在，重复此过程，直到违规消失，转换器恢复正常开关和调节。

2.8 同步整流

采用内部下侧MOSFET驱动器驱动外部上下侧MOSFET，同步整流不仅提高了整体传导效率，还能确保为高端驱动器输入处的自举电容提供适当的充电，减少开关损耗。

2.9 电源节省模式（PSM）

ADP1871在轻负载到中负载电流时工作在不连续传导模式（DCM），通过脉冲跳跃维持输出调节。当电感电流接近零电流时，板载零交叉比较器关闭所有上下侧开关活动，系统进入空闲模式，避免负电感电流积累，提高轻负载时的系统效率。

2.10 定时器操作

采用恒定导通时间架构，通过感应高输入电压（VIN）和输出电压（VOUT），利用SW波形信息产生可调节的单脉冲PWM脉冲，使高端MOSFET的导通时间随输入电压、输出电压和负载电流的动态变化而变化，以维持调节。导通时间（ (t{ON}) ）与 (V{IN}) 成反比，采用前馈技术使开关频率近似固定。

2.11 伪固定频率

在稳态操作时，开关频率相对恒定。在负载瞬变时，频率会暂时变化，以更快地使输出恢复到调节范围内。正负载阶跃时，开关频率增加；负负载阶跃时，开关频率降低，有助于输出电压恢复，比固定频率控制器具有更好的负载瞬态性能。

三、应用信息

3.1 反馈电阻分压器

根据内部带隙参考电压（VREF）固定为0.6 V，可通过公式 (R{T}=R{B} × frac{left(V{OUT }-0.6 Vright)}{0.6 V}) 确定反馈电阻分压器的阻值，其中 (R{T}) 和 (R_{B}) 分别为上拉电阻和下拉电阻。

3.2 电感选择

电感值与电感纹波电流成反比，可根据公式 (Delta I{L}=K{I} × I{L O A D} approx frac{I{L O A D}}{3}) 计算电感纹波电流，再通过公式 (L=frac{left(V{I N}-V{OUT }right)}{Delta I{L} × f{S W}} × frac{V{OUT }}{V{I N}}) 计算电感值。选择电感时，应确保其饱和额定值高于峰值电流水平。

3.3 输出纹波电压

输出纹波电压是稳态时直流输出电压的交流分量，对于1.0%的纹波误差，可通过公式 (Delta V{R R}=(0.01) × V{OUT }) 计算所需的输出电容值。

3.4 输出电容选择

输出电容的主要作用是降低输出电压纹波，并在负载瞬变时协助输出电压恢复。可根据公式 (C{OUT }=Delta I{L} timesleft(frac{1}{8 × f{SW} timesleft[Delta V{RIPPLE }-left(Delta I{L} × E S Rright)right]}right)) 计算稳态时的小信号电压纹波，根据公式 (C{OUT }=2 × frac{Delta I{L O A D}}{f{S W} timesleft(Delta V{D R O O P}-left(Delta I{L O A D} × E S Rright)right)}) 计算输出负载阶跃时所需的电容值。

3.5 补偿网络

由于采用电流模式架构，ADP1870/ADP1871需要Type II补偿。通过分析转换器在单位增益频率（ (f_{sw}/10) ）时的整体环路增益（H），可确定补偿所需的电阻和电容值。

3.6 效率考虑

效率是构建直流 - 直流转换器时的重要考虑因素。在高功率应用中，应选择合适的MOSFET，考虑 (V{GS(TH)})、 (R{DS(ON)})、 (Q{G})、 (C{N1}) 和 (C_{N2}) 等参数。同时，需要考虑通道传导损耗、MOSFET驱动器损耗、MOSFET开关损耗、体二极管传导损耗和电感损耗等因素。

3.7 输入电容选择

选择输入电容的目的是降低输入电压纹波和高频源阻抗，确保环路稳定性和瞬态性能。建议使用多层陶瓷电容器（MLCC）与大容量电容器并联，以降低输入电压纹波幅度。可根据公式 (I{C I N, r m s}=I{L O A D, max } × frac{sqrt{V{OUT } timesleft(V{I N}-V{OUT }right)}}{V{OUT }}) 计算输入电容的均方根电流，根据公式 (C{I N, min }=frac{I{L O A D, max }}{4 f{S W} V{R I P P L E, max }}) 计算最小输入电容要求。

3.8 热考虑

由于ADP1870/ADP1871用于高电流应用，且可能处于高温环境，需要谨慎选择外部上下侧MOSFET，以确保不超过最大允许结温125°C。当结温达到或超过155°C时，器件进入热关断状态，直到结温降至140°C才重新启用。同时，需要考虑封装的热阻抗，计算内部驱动器和LDO的功耗。

四、设计示例

以 (V{OUT }=1.8 ~V)、 (I{L O A D}=15 ~A)（脉冲）、 (V{IN}=12 ~V)（典型）和 (f{s w}=300 kHz) 为例，介绍ADP1870/ADP1871的设计过程：

1. 输入电容：选择五个22 µF陶瓷电容器，确保整体ESR小于1 mΩ。
2. 电感：选择1.0 µH、 (DCR=3.3 ~m Omega) 的电感，可承受20 A的峰值电流。
3. 电流限制编程：选择100 kΩ的编程电阻（RES），对应24 V/V的电流检测增益。
4. 输出电容：选择五个270 µF聚合物电容器，确保ESR在5 mΩ至10 mΩ之间。
5. 反馈电阻网络：推荐使用 (R{B}=15 k Omega)，计算得到 (R{T}=30 k Omega)。
6. 补偿网络：计算得到 (R{COMP}=100 k Omega)， (C{COMP}=250 pF)。
7. 损耗计算：计算各部分损耗，包括通道传导损耗、体二极管传导损耗、开关损耗、驱动器损耗、LDO损耗、输出电容损耗和电感损耗等，总损耗为2.655 W。

五、外部组件推荐

文档提供了不同型号和参数下的外部组件推荐，包括输入电容、输出电容、电感、补偿电容等，方便工程师根据具体需求进行选择。

六、布局考虑

6.1 整体布局

优化敏感模拟和功率组件的布局，将敏感模拟组件远离嘈杂的功率部分，使用单独的模拟接地平面，确保输入电容靠近上侧MOSFET的漏极和下侧MOSFET的源极，输出电容安装在评估板的最右侧区域。

6.2 IC部分

为模拟接地平面（GND）设置专用平面，与主功率接地平面（PGND）分开，将模拟接地平面通过最短路径连接到GND引脚。在VREG引脚和PGND引脚之间直接安装1 µF旁路电容，在VREG引脚和GND引脚之间连接0.1 µF电容。

6.3 功率部分

合理安排功率平面，将VIN平面放在左侧，输出平面放在右侧，主功率接地平面放在中间，减少电流突然变化时的磁通变化面积。SW节点应尽量减小面积，远离敏感模拟电路和组件，并在Layer 2和Layer 3上复制该焊盘以进行热释放。

6.4 差分传感

在谷值电流模式控制下，对下侧MOSFET的漏极和源极进行差分电压读取，将下侧MOSFET的漏极和源极分别靠近IC的SW引脚和PGND引脚连接，同时在最外侧输出电容和反馈电阻分压器之间应用差分传感。

七、典型应用电路

文档提供了15 A、300 kHz高电流应用电路，5.5 V输入、600 kHz应用电路和300 kHz高电流应用电路等典型应用电路，为工程师提供了参考。

八、总结

ADP1870/ADP1871同步降压控制器以其丰富的特性、先进的工作原理和灵活的应用设计，为电子工程师在电源管理领域提供了一个优秀的解决方案。在实际设计中，工程师需要根据具体应用需求，合理选择外部组件，优化布局，以确保系统的稳定性、效率和可靠性。你在使用ADP1870/ADP1871的过程中遇到过哪些问题？你对其性能和应用有什么独特的见解吗？欢迎在评论区分享你的经验和想法。