深入剖析SGM61137：高性能同步降压转换器的卓越之选

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。SGM61137作为一款高性能的同步降压转换器，凭借其出色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SGM61137进行全面深入的分析，从其基本特性、工作原理到应用设计，为大家呈现这款芯片的魅力。

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一、SGM61137概述

SGM61137是SGMICRO推出的一款自适应恒定导通时间控制（ACOT）同步降压转换器，输入电压范围为4.5V至17V，输出电流能力可达3A，工作在准固定频率模式。它将功率开关和内部补偿电路集成在一个小巧的6引脚封装中，支持低等效串联电阻（ESR）输出电容，还具备典型的1ms软启动斜坡，可有效减少浪涌电流。此外，该芯片还拥有完善的保护功能，如逐周期电流限制、打嗝模式短路保护和过热关断等。

1.1 产品特性

• 宽输入电压范围：4.5V至17V的输入电压范围，使其能够适应多种电源环境。
• 灵活的输出电压范围：输出电压范围为0.6V至7V，可满足不同应用的需求。
• 高输出电流能力：连续输出电流可达3A，能够为负载提供充足的功率。
• 集成功率MOSFET：集成了56mΩ/35mΩ的功率MOSFET，减少了外部元件的使用，提高了系统的集成度。
• 低功耗：关机电流仅为1μA（典型值），有助于降低系统功耗。
• 软启动功能：1ms的内部软启动时间，可有效减少浪涌电流，保护电路元件。
• 准固定开关频率：1.2MHz的准固定开关频率，可降低电磁干扰（EMI）。
• 多种工作模式：SGM61137A采用脉冲跳跃模式，在轻载时提高效率；SGM61137B则工作在强制PWM模式，可实现低输出纹波和良好的调节性能。
• 可调输入欠压锁定：可通过电阻分压器对输入欠压锁定（UVLO）阈值进行编程。
• 完善的保护功能：具备逐周期过流限制、热关断自动恢复等保护功能，提高了系统的可靠性。
• 环保封装：采用绿色SOT - 563 - 6封装，符合RoHS和HSF标准。

1.2 应用场景

SGM61137适用于多种应用场景，包括12V分布式电源总线、工业和消费应用、白色家电、监控设备、机顶盒以及通用负载点等。

二、工作原理

2.1 自适应恒定导通时间控制（ACOT）

与传统的电压模式控制（VMC）或电流模式控制（CMC）不同，ACOT控制是一种无时钟信号的滞环模式控制。当内部比较器检测到输出电压低于期望输出电压时，每个开关周期以相对恒定的导通时间脉冲开始。输出电压通过反馈（FB）引脚经输出电阻分压器进行检测，并与内部参考电压（VREF）通过低增益误差放大器进行比较。当反馈电压（VFB）低于放大器输出时，比较器触发导通时间控制逻辑，开启高端开关。ACOT控制能够根据输入电压和输出电压动态调整导通时间，从而在稳态运行时实现相对恒定的频率，减少了系统中某些敏感频段的EMI干扰。同时，内部斜坡被添加到参考电压中以模拟输出纹波，因此支持低ESR输出电容应用。

2.2 使能控制

EN引脚的电压可精确控制SGM61137的启用和禁用。当EN引脚电压超过1.2V且VIN超过其UVLO阈值时，设备启用；当EN电压被外部拉低或VIN引脚电压低于其UVLO阈值时，设备禁用。EN引脚不能浮空，若VIN不高于17V，可将其连接到VIN以启用设备。

2.3 自举电压（BOOT）

为了给上开关栅极驱动器供电，需要一个高于VIN的电压。通过在SW和BOOT引脚之间使用0.1μF的自举电容以及内部自举二极管，采用自举技术从开关节点提供该电压。该电压在内部进行调节，用于驱动高端开关。建议使用X5R或X7R陶瓷电容作为CBOOT，以确保电容在温度和电压变化时保持稳定。

2.4 输出电压编程

输出电压通过连接在VOUT和GND之间并连接到FB引脚的电阻分压器进行设置。建议使用1%或更高精度、低热容差的电阻，以获得准确且热稳定的输出电压。可使用公式 (V{OUT }=V{FB} timesleft[frac{R{FB 1}}{R{FB 2}}+1right]) 计算输出电压。

2.5 内部电压参考和软启动

SGM61137具有内部0.6015V参考电压（VREF），用于将输出编程到所需水平。当转换器启动（或启用）时，内部斜坡电压从接近0V开始上升，在1ms内略高于0.6015V。VREF和该斜坡中的较低值用作误差放大器的参考。因此，斜坡在启动期间为输出提供软启动，避免了因输出电压在输出电容和负载上快速增加而导致的高浪涌电流。

2.6 脉冲跳跃模式操作

当SGM61137A在轻载下以不连续导通模式（DCM）运行时，进入脉冲跳跃模式，此时内部功耗显著降低。此外，工作频率会根据负载开始下降。通过零交叉检测器监测电感电流（IL），当IL过零时，如果VFB > VREF_EA，则高端和低端MOSFET均关断。直到VFB低于VREF_EA并触发新的导通时间脉冲时，它们才会再次开启。在关断期间，所有非必要电路关闭以最小化损耗，负载由输出电容存储的能量供电。当新的导通脉冲触发时，控制电路唤醒。

2.7 轻载连续电流模式操作

SGM61137B从满载到空载都锁定在连续电流模式。在轻载时允许负电感电流，以保持电感电流连续运行。这是一种权衡，牺牲了轻载效率以保持开关频率相对固定、降低输出纹波并实现更好的输出调节。为避免低端开关出现致命负电流，该电流限制在 - 1.5A（典型值）。

2.8 过流和短路保护

SGM61137支持过载模式。当系统上电期间输出电流持续过载时，SGM61137输出最大功率，并限制低端FET开关的最大谷值电流。在VIN < 5V条件下，谷值电流限制略低，可能导致负载能力下降。设备保持逐周期限制，以满足系统的功率需求。随着负载持续增加，输出电压下降。如果软启动完成且FB电压降至VREF的63%，则激活打嗝电流保护模式。在打嗝模式下，稳压器关闭，通常保持15ms后再次尝试启动。如果过流或短路故障仍然存在，打嗝模式将重复，直到故障条件消除。打嗝模式有助于减少功耗，防止设备过热和潜在损坏。

2.9 热关断

如果结温超过 + 155℃（典型值），设备将强制停止开关。当TJ降至恢复阈值以下时，设备将自动恢复。

三、应用设计

3.1 基本设计原理图

一个基本的SGM61137降压转换器设计仅需几个外部元件，即可从宽输入电压范围提供恒定输出电压。具体原理图可参考文档中的图5。

3.2 元件选择

3.2.1 输入电容选择

SGM61137的输入去耦必须使用高质量的陶瓷电容（X5R或X7R或更好的介电等级）。在某些应用中，当SGM61137距离输入源超过5cm时，可能还需要额外的大容量电容。VIN电容的纹波电流额定值必须大于最大输入电流纹波。输入电流纹波可使用公式 (C{IN_RMS }=I{OUT } × sqrt{frac{V{OUT }}{V{IN }} × frac{left(V{IN }-V{OUT }right)}{V{IN }}}=I{OUT } × sqrt{D times(1-D)}) 计算，最大纹波电流发生在50%占空比时。对于本设计，需要至少25V额定电压的陶瓷电容来支持最大输入电压，因此选择两个10µF/25V的电容用于VIN，以覆盖所有直流偏置、热和老化降额。输入电容决定了稳压器输入电压纹波，可使用公式 (Delta V{IN}=frac{I{OXT } × D times(1-D)}{C{IN} × f{SW}}) 计算。此外，建议在VIN和GND引脚旁边放置一个0.1µF的小型陶瓷电容，用于高频滤波。

3.2.2 电感选择

通常使用公式 (L=frac{V{IN_MAX }-V{OUT }}{I{OUT } × K{INO }} × frac{V{OUT }}{V{IN_MAX } × f{SW }}) 计算降压转换器的输出电感，其中 (frac{Delta I{L}}{I{OUT }}) 表示为 (K{IND}) 。电感纹波电流由输出电容旁路和滤波，电感直流电流传递到输出。电感纹波的选择需要考虑多个因素，峰值电感电流（ (I{OUT }+frac{Delta I{L}}{2}) ）在最坏情况下必须与电感的饱和电流有安全裕量，尤其是选择硬饱和磁芯类型的电感（如铁氧体）时。纹波电流也会影响输出电容的选择，Cout的RMS电流额定值必须高于电感RMS纹波。通常选择40%的纹波（ (K{IND}=0.4) ）。在本示例中，计算得到的电感值为1.5μH。电感纹波、RMS和峰值电流的计算分别总结在公式 (Delta I{L}=frac{V{IN_MAX }-V{OUT }}{L} × frac{V{OUT }}{V{IN_MAX } × f{SW }}) 、 (L{-RMS }=sqrt{I{OUT }^{2}+frac{Delta I{L}^{2}}{12}}) 和 (I{L{-} PEAK }=I{OUT }+frac{Delta I{L}}{2}) 中。需要注意的是，在启动、负载瞬变或故障条件下，峰值电感电流可能会超过计算值 (I_{L_PEAK}) ，因此选择电感饱和电流高于开关电流限制总是更安全的。

3.2.3 输出电容选择

输出电容和电感对PWM开关电压的交流部分进行滤波，并在期望的输出直流电压上提供可接受的输出电压纹波。此外，电容存储能量，有助于在负载瞬变期间维持输出电压调节。输出电压纹波（ (Delta V{OUT }) ）取决于输出电容在工作电压、温度（℃）下的取值及其寄生参数（ESR和ESL），可使用公式 (Delta V{OUT }=Delta I{L} × ESR+frac{V{IN }-V{OUT }}{L} × ESL+frac{Delta I{L}}{8 × f{SW} × C{OUT }}) 计算。输出电容的电压额定值应选择足够的裕量，以确保电容下降（电压和温度降额）不显著。输出电容的类型将决定公式中的哪些项占主导地位。对于陶瓷输出电容，ESR和ESL几乎为零，因此输出电压纹波将由电容项主导；对于电解输出电容，电容值相对较高，与ESR和ESL项相比，公式中的第三项可以忽略。为了降低电压纹波，可以增加电感或总电容。使用更高质量的电容、更大的电感或并联电容可以帮助减少使用电解输出电容的设计中的输出纹波。一些商用电解电容的ESR可能相当高，建议使用数据手册中明确记录ESR或总阻抗的高质量电容。电解电容的ESR在低温环境下可能会显著增加，约为10倍，这会增加纹波并可能降低稳压器的稳定性。稳压器的瞬态响应也取决于输出电容的数量和类型。一般来说，降低输出电容的ESR将导致更好的瞬态响应。可以通过简单地并联更多电容或使用更高质量的电容来最小化ESR。当发生幅度为 (Delta I{L}) 、变化率为 (frac{di}{dt}) 的快速负载瞬变时，输出电压将跳跃或下降一个瞬态幅度 (Delta V{OUT }=Delta I_{L} × ESR+frac{di}{dt} × ESL) 。瞬变发生后，电感电流几乎保持不变，尤其是对于较大的电感，瞬态电流由电容承担。输出电压将在短时间内偏离其标称值，具体取决于系统带宽、电感和输出电容。在本示例中，根据表1，选择2 × 22μF/10V X5R陶瓷电容，ESR为2mΩ，可满足上述条件。

3.2.4 自举电容选择

自举电容（C6）应使用10V或更高电压额定值的0.1μF高质量陶瓷电容（X5R或X7R）。

3.2.5 输出电压设置

使用外部电阻分压器（R1和R2）设置输出电压，公式为 (R{1}=R{2} timesleft(frac{V{OUT }}{V{REF }}-1right)) ，其中 (V{REF }=0.6015V) 是内部参考电压。例如，选择 (R{2}=10kΩ) 时，3.3V输出的R1值计算为44.86kΩ，可选择45.3kΩ的标准电阻。

3.2.6 前馈电容选择

SGM61137包含内部补偿电路，内部斜坡被添加到参考电压中以模拟输出纹波。对于超低输出电容ESR（陶瓷电容）应用，建议添加一个15pF的前馈电容（C7），为输出电压纹波提供低阻抗路径，并确保反馈节点处电压纹波的相移最小，同时保持可接受的瞬态响应。

3.3 布局指南

PCB是任何开关电源的重要组成部分。由于存在大而快速上升/下降的电压，这些电压可能通过杂散电容耦合到其他信号路径，以及大而快速变化的电流，这些电流可能通过寄生磁耦合相互作用，因此如果在布局设计中不最小化和妥善管理这些干扰，转换器的运行可能会受到显著影响。高电流路径中铜迹线的电导不足会导致功率路径中的高电阻损耗和电压误差。以下是设计良好布局的必要指南：

• 用低ESR陶瓷电容（X5R或X7R更好的介电材料）尽可能靠近VIN引脚将VIN引脚旁路到GND引脚。
• 高电流连接（VIN、SW和GND）使用短、宽且直接的迹线。
• 保持BOOT - SW电压路径尽可能短。
• 将反馈电阻尽可能靠近对噪声敏感的FB引脚放置。
• 最小化VIN引脚、旁路电容连接和SW引脚形成的环路面积和路径长度。

四、总结

SGM61137作为一款高性能的同步降压转换器，具有宽输入电压范围、高输出电流能力、多种工作模式和完善的保护功能等优点。在应用设计中，合理选择外部元件和优化PCB布局是确保系统稳定运行的关键。通过本文的介绍，相信大家对SGM61137有了更深入的了解，希望在实际设计中能够充分发挥其优势，为电子系统提供可靠的电源解决方案。大家在使用SGM61137的过程中，有没有遇到过什么问题或者有什么独特的设计经验呢？欢迎在评论区分享交流。