SGM6626：高性能非同步升压转换器的设计与应用

在电子设计领域，升压转换器是常见且关键的元件，它能将低电压转换为高电压，满足不同电路的需求。SGM6626作为一款高性能的非同步升压转换器，具有诸多独特的特性和优势，下面就为大家详细介绍。

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一、SGM6626概述

SGM6626是SGMICRO推出的一款高压非同步升压转换器，集成了24V功率MOSFET，支持低至2.5V的输入电压。它有700kHz或1.35MHz的固定开关频率可供选择，通过引脚即可轻松切换，这种设计便于滤波且能降低噪声。同时，COMP引脚能让用户使用小电容灵活设置环路动态。此外，该器件还具备过流保护、SW过压保护、软启动、欠压锁定（UVLO）和热关断等内置功能，采用绿色MSOP - 8封装。

二、特性亮点

1. 宽电压范围

输入电压低至2.5V，输出电压高达24V，能适应多种不同的电源环境和负载需求。

2. 灵活的开关频率

可通过引脚选择700kHz或1.35MHz的固定开关频率。较高的开关频率能改善负载瞬态响应，降低输出纹波电压，但效率会略有降低；较低的开关频率则在轻载时能提高效率。

3. 高效性能

在 (V{IN}=5V)，(V{OUT}=12V) 且 (I_{OUT}=0.2A) 的条件下，效率可达94%，能有效降低功耗。

4. 集成度高

集成了低侧功率MOSFET，减少了外部元件的使用，简化了电路设计。

5. 保护功能完善

具备过流保护、过压保护、欠压锁定和热关断等功能，能有效保护器件和电路，提高系统的稳定性和可靠性。

三、应用领域

SGM6626适用于多种便携式应用，如小型LCD显示器、手持计算机和PDA、数码相机和摄像机等。这些设备通常对电源的体积、效率和稳定性有较高要求，SGM6626正好能满足这些需求。

四、典型应用电路及参数设计

1. 典型应用电路

其典型应用电路包含输入电容、输出电容、电感、二极管、反馈电阻等元件。通过合理选择这些元件的参数，能实现稳定的升压输出。

2. 输出电压设置

SGM6626支持最高24V的输出电压，可通过连接到FB引脚的电阻分压器来配置输出电压。计算公式为 (R{1}=frac{(V{OUT}-V{FB})×R{2}}{V{FB}})，为简化设计，推荐 (R{2}) 取10kΩ。例如，当 (R{1}) 为54kΩ时，输出电压可配置为8V。较小的 (R{1}) 和 (R_{2}) 值能提高抗噪能力，而较大的值则能降低静态电流，有利于轻载效率。

3. 软启动电容选择

为防止启动时产生过大电流，SGM6626设有软启动定时器。通过在SS引脚连接外部电容，并以恒定电流充电，可缓慢提升升压转换器的内部电流限制。软启动周期 (t{ss}) 由公式 (t{ss}=75×C{4}) 确定（(C{4}) 为从SS到GND的软启动电容，单位为nF；(t{ss}) 单位为µs），也可通过 (C{4}=0.0133×t_{ss}) 计算所需电容值。

4. 输入电容选择

建议使用低ESR陶瓷电容，以实现良好的输入电压滤波和噪声限制。至少应在IC的IN到GND之间靠近IC处放置一个0.1μF的旁路电容，大多数应用中，一个10μF的陶瓷输入电容就足够了。若SGM6626离输入电源较远，推荐使用47µF或更高电容值的电容来抑制线束电感。

5. 输出电容选择

输出电容决定了输出电压纹波和负载瞬态响应。可通过公式 (C{2} approx frac{(1 - frac{V{IN}}{V{OUT}})×I{LOAD}}{V{RIPPLE}×f{SW}}) 估算所需电容值。由于陶瓷电容存在直流偏置特性，需参考制造商的数据手册，确保在所需输出电压下有足够的有效电容。大多数应用推荐使用4.7µF至22µF的电容。使用钽或铝电解电容时，需考虑ESR，输出纹波计算公式为 (V{RIPPLE} approx frac{(1 - frac{V{IN}}{V{OUT}})×I{LOAD}}{C{2}×f{SW}}+frac{I{LOAD}×R{ESR}×V{OUT}}{V{IN}})。

6. 电感选择

电感是SGM6626升压转换器设计中最关键的元件，它影响着稳态运行、瞬态响应和环路稳定性。对于大多数1.35MHz的应用，推荐使用4.7μH的电感；对于700kHz的应用，推荐使用10µH的电感。设计时需考虑电感的标称电感值、直流电阻（DCR）、饱和电流和最大RMS电流等参数。电感的峰 - 峰纹波电流 (Delta I{L}=frac{V{IN}×(V{OUT}+V{F}-V{IN})}{L×(V{OUT}+V{F})×f{SW}})，建议选择峰 - 峰纹波电流在电感最大直流电流的30% - 40%范围内，这样能在电感磁芯和转换器传导损耗（由于交流纹波）以及电感尺寸之间取得良好的平衡。电感直流电流可通过 (I_{INDC}=frac{V{OUT}×I{OUT}}{V{IN}×eta}) 计算（(eta) 为转换器效率）。

7. 肖特基二极管选择

外部整流二极管的选择对器件性能至关重要。推荐使用高速、低正向压降的二极管以提高效率，二极管的平均电流额定值应高于峰值负载，所选二极管的击穿电压应高于最大输出电压（24V）并有一定余量。为实现更小的尺寸和更低的成本，可使用额定电压较低的肖特基二极管。

8. 环路补偿

SGM6626使用跨导误差放大器（COMP）来补偿反馈环路，通过外部电阻和电容进行频率补偿。由于采用了电流反馈，消除了LC滤波器的谐振，功率级传递函数的相位延迟大大减少，补偿变得更加容易。设计电流模式升压转换器的环路需要使用Type II补偿器，它能提供一个原点极点、一个极点和一个零点，有助于实现高直流增益、良好的直流调节和低频线路注入。确定极点和零点涉及 (R{LOAD})、(R{3})、(C{2}) 和 (C{3}) 四个元件，具体计算公式为 (f{P1}=frac{1}{pi×C{2}×R{LOAD}})，(f{P2}=frac{G{EA}}{2pi×C{3}×A{VEA}})，(f{z1}=frac{1}{2pi×C{3}×R{3}})（(R{LOAD}) 为负载电阻，(G{EA}) 为误差放大器跨导，(A{VEA}) 为误差放大器电压增益）。直流环路增益 (A{VDC}=frac{1.85×A{VEA}×V{IN}×R{LOAD}×V{FB}}{V{OUT}^{2}})，右半平面零点 (f{RHPZ}=frac{V{IN}^{2}×R{LOAD}}{2pi×L×V{OUT}^{2}})。可参考表3选择合适的补偿网络，以获得更好的负载瞬态响应。为了更快的响应时间，可以适当增大 (R{3}) 值以扩展带宽，同时略微减小 (C_{3}) 值以保持足够的相位裕度，但这些调整需结合SGM6626的负载瞬态响应监测进行。

五、性能特点

1. 电气特性

在不同的输入电压、温度等条件下，SGM6626具有明确的电气参数，如工作输入电压范围为2.5V - 22V，欠压锁定电压为2.15V - 2.45V等，这些参数为电路设计提供了准确的参考。

2. 典型性能曲线

包括重负载纹波、轻负载纹波、负载瞬态、启动波形、静态电流与温度关系、反馈电压与温度关系、频率与温度关系、效率与负载电流关系、输出电压与输入电压关系、输出电压与负载电流关系等曲线，能帮助工程师更好地了解器件在不同工作条件下的性能表现。

六、功能保护机制

1. 欠压锁定

SGM6626集成了VIN欠压锁定（UVLO）功能，能防止输入电压低于 (V{UVLO}) 时器件误操作，其滞回电压为100mV（典型值）。当输入电压上升超过 (V{UVLO}) 时，器件会重新启动。

2. 使能和软启动

当输入电压有效时，将EN输入拉至逻辑高电平可使能器件，器件开始工作并将参考电压提升至1.25V（典型值）。通过软启动定时器可减少启动时的浪涌电流，软启动时间可通过外部电容编程。将EN拉至逻辑低电平可关闭SGM6626，此时开关和所有控制电路关闭，器件电流降至0.1μA（典型值）。

3. 过压保护

过压保护电路可防止因输出电阻分压器断开而损坏IC。SGM6626在每个开关周期监测SW引脚电压，当SW引脚电压连续8个周期超过 (V_{OVP}) 阈值（25.3V，典型值）时，器件会关闭开关FET并停止工作，等待5.5ms后尝试软重启。

4. 过流保护

SGM6626具有固有过流保护功能，当峰值电流达到2A（典型值）的电流限制阈值时，低侧MOSFET关闭，直到下一个时钟周期才会再次开启。

5. 热关断

当结温超过156℃（典型值）时，内部热关断保护会关闭器件，当结温下降至少20℃（典型值）时，器件将恢复工作。

6. 脉冲跳过模式

在轻载时，SGM6626集成了脉冲跳过模式。当出现轻载情况时，COMP电压自然下降，降低峰值电流。当COMP电压随着负载降低进一步下降并达到预设的低阈值时，误差放大器的输出被钳位在该阈值，不再下降。如果负载进一步降低，SGM6626的输出电压超过标称电压，器件会跳过开关周期，通过降低平均开关频率来减少开关损耗，提高轻载效率。

七、PCB布局注意事项

布局对于开关模式电源的性能至关重要，特别是对于高开关频率和高电流的转换器。不良的布局可能导致系统不稳定、EMI故障和器件损坏。因此，应将电感、输入电容和输出电容尽可能靠近IC放置，并使用宽而短的走线来承载电流，以最小化PCB寄生电感。同时，应尽量减小与SW引脚连接的长度和面积，因为SW引脚是干扰源。所有反馈元件应靠近FB引脚，以防止FB引脚走线受到噪声注入。对于升压转换器，输出电容回到器件GND引脚的电流环路应尽可能小，以优化SW引脚和输出端的过冲。

八、总结

SGM6626以其宽电压范围、灵活的开关频率、高效性能和完善的保护功能，成为便携式应用和小型电子设备中升压转换的理想选择。在设计过程中，合理选择外部元件参数和进行正确的PCB布局，能充分发挥其性能优势，为电子系统提供稳定可靠的电源解决方案。各位工程师在实际应用中，不妨多尝试和探索，挖掘SGM6626更多的潜力。你在使用升压转换器时遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。