探秘SGM6620/SGM6620A：25V、20A同步升压转换器的卓越性能与应用

在电子工程师的日常设计中，选择一款合适的升压转换器至关重要。今天我们就来深入了解一下SGMICRO推出的SGM6620/SGM6620A 25V、20A同步升压转换器，看看它有哪些独特之处能满足我们的设计需求。

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一、产品概述

SGM6620系列是为高功率应用量身定制的20A谷值开关电流限制同步升压转换器。它集成了一个典型值为9.8mΩ的高端MOSFET，这不仅能最大程度提高效率，还能减小便携式应用的整体解决方案尺寸。此外，该系列还支持级联操作，可进一步提高功率密度。

SGM6620系列支持2.05V至23V的宽输入电压范围，适用于单节或多节锂电池、USB PD3.0等多种输入源，输出电压可在4.5V至25V之间进行广泛的可编程设置。

它采用自适应恒定导通时间谷值电流控制拓扑来调节输出电压，并通过MODE引脚提供操作模式选择。在轻载时可消耗最小电流，在中等到重载条件下自动切换到脉冲宽度调制（PWM）模式。SGM6620A还提供轻载超声模式，将PFM频率钳位在30kHz（典型值）以上。

同时，该系列集成了输出过压保护（OVP）、逐周期过流保护（OCP）和热关断等多种保护功能，采用绿色TQFN - 2.5×3 - 14AL封装。

二、产品特性

（一）宽输入输出电压范围

输入电压范围为2.05V至23V，输出电压范围为4.5V至25V，这种宽范围的设计使得它能够适应各种不同的电源和负载要求。启动时的最小输入电压为2.35V，还支持10A至20A（典型值）的可编程谷值电流限制。

（二）不同型号的开关频率

SGM6620的开关频率典型值为290kHz，而SGM6620A在超声模式下的开关频率典型值为30kHz，工程师可以根据实际应用场景进行选择。

（三）集成高端FET与多相功能

集成了9.8mΩ（典型值）的高端FET，支持堆叠多相操作，可用于高输出电流应用，还能与外部时钟同步，并且具有精确的EN/UVLO阈值。

（四）丰富的保护功能

具备输出过压保护、逐周期过流保护和热关断等保护功能，能有效保障设备的安全稳定运行。

三、引脚配置与描述

SGM6620/SGM6620A采用TQFN - 2.5×3 - 14AL封装，每个引脚都有其特定的功能。例如，ILIM引脚用于设置电感器谷值电流限制，通过连接外部电阻与AGND引脚来实现；FB引脚是电压反馈引脚，使用电阻分压器来设置所需的输出电压；MODE引脚用于模式选择，高电平为强制PWM模式，低电平为自动PFM模式（SGM6620A还有超声模式）。

四、电气特性

在不同的工作条件下，SGM6620/SGM6620A展现出了稳定的电气性能。例如，输入电压范围、输出电压范围、静态电流、关断电流等参数都有明确的规定。在典型工作条件下，开关频率、高端MOSFET导通电阻、最小关断时间、最小导通时间等参数也都有相应的典型值，这些参数为工程师的设计提供了重要的参考依据。

五、典型性能特性

通过一系列的图表，我们可以直观地看到SGM6620/SGM6620A在不同条件下的性能表现。例如，高端MOSFET导通电阻与温度的关系、EN/UVLO上升电压与温度的关系、参考电压与温度的关系等。在效率方面，无论是自动PFM模式还是FPWM模式，都展示了不同输入电压和输出电流下的效率曲线，帮助工程师更好地评估其在实际应用中的效率表现。

六、详细工作原理与功能模式

（一）自适应恒定导通时间谷值电流控制

SGM6620系列使用这种控制拓扑来调节输出电压。在中等到重载条件下，以准恒定频率的PWM模式运行，通过改变导通时间来维持近似恒定的290kHz（典型值）频率。在轻载条件下，可通过MODE引脚选择脉冲频率调制（PFM）模式或强制脉冲宽度调制（FPWM）模式。

（二）欠压锁定（UVLO）

集成的UVLO功能可保护设备在输入电压不足时避免故障，并防止电池过度放电。当VIN引脚电压低于下降的UVLO阈值（典型值1.9V）时，设备停止工作；当VIN引脚电压高于上升的UVLO阈值（典型值2.2V）时，设备开始工作。VCC引脚也有UVLO功能，当VCC低于UVLO阈值（典型值1.8V）时，设备禁用。

（三）使能和可编程UVLO

具有双功能的使能和欠压锁定电路，通过精确的UVLO电压阈值和滞回电流，可支持可编程的输入欠压锁定，防止输入电压缓慢变化且有噪声时的开关抖动。

（四）软启动

具备7.5ms（典型值）的软启动功能，可减少启动时的浪涌电流。当输入电压有效且EN输入为高电平时，内部软启动电容充电，随着电容电压上升，误差放大器的输出逐渐增加，直到软启动电容电压超过内部参考电压。

（五）开关频率和外部时钟同步

SGM6620的开关频率典型值为290kHz，并且可以通过M/SYNC引脚与外部时钟信号同步，适用于对噪声敏感或涉及多相的应用。但外部时钟频率必须在默认开关频率的±20%范围内，且时钟信号需满足一定的电平要求和脉冲宽度要求。

（六）堆叠多相操作

SGM6620系列支持堆叠多相操作，两个设备可实现主/从堆叠转换器，最多可将4个设备并联以满足更高的功率要求。多相操作可显著降低电感器电流和电容器纹波电流的峰值，提高有效开关频率，从而最大程度减小电感器和电容器的尺寸。

（七）不同功能模式

1. 强制PWM（FPWM）模式

在这种模式下，SGM6620系列从满载到空载都锁定在PWM模式，轻载时允许有负电感器电流以继续PWM操作。虽然牺牲了轻载效率，但可以获得较低的输出纹波、更好的输出调节、无 audible 噪声并保持开关频率固定。为避免低端开关出现致命的负电流，该电流限制在 - 5A。在FPWM模式下，全负载范围内都可进行同步。

2. 自动PFM模式

该模式可提高轻载时的效率。随着负载电流减小，误差放大器输出相应降低，以减少谷值电感器电流。当负载进一步减小时，高端FET导通期间电感器电流达到0A，内部过零检测比较器触发关闭高端FET，防止负电流流动，并等待下一个时钟脉冲开启低端FET。当负载电流继续减小时，误差放大器输出降至PFM阈值电压并被钳位，设备进入PFM模式，跳过脉冲以提供足够的功率给负载并维持输出电压稳定。

3. 超声模式

仅SGM6620A具备此模式，将MODE引脚拉低至逻辑低电平可配置为超声模式，将轻载时的开关频率钳位在30kHz（典型值）以上，避免 audible 噪声。随着负载增加，设备自动提高开关频率以满足负载需求。

（八）其他保护功能

1. 过压保护

集成了过压保护（OVP）功能，当输出电压达到26.5V（典型值）的OVP阈值时，设备停止开关操作；当输出电压比OVP阈值低1V时，设备恢复开关操作。

2. 热关断

为防止设备过热损坏，内置了热保护功能。当结温超过160°C（典型值）时，开关停止；当结温下降20°C（典型值）时，设备恢复运行。

七、应用信息与设计要点

（一）应用场景

SGM6620系列适用于USB Type - C电源、智能音箱等多种应用场景，能够提供高达25V的输出电压和20A的谷值开关电流。

（二）设计要求与步骤

1. 设置输出电压

通过连接在VOUT和FB引脚之间的电阻分压器来设置输出电压。为获得最佳输出电压精度，建议选择合适的(R_2)值，使流经(R_2)的电流是流入FB引脚泄漏电流的100倍以上，同时较低的(R_2)电阻还可提高设备的抗噪能力。(R1)电阻可通过公式(R{1}=frac{(V{OUT } - V{REF }) × R{2}}{V{REF }})计算得出。

2. 输入电容器选择

升压转换器的输入电容器在整个开关周期内有连续电流，建议在VIN引脚和GND引脚之间尽可能靠近地放置一个22µF的陶瓷电容器。对于SGM6620/A与输入源距离较远的应用，建议使用更高电容的电容器或额外的“大容量”电容器（电解或钽电容）来抑制线束电感。

3. 电感器选择

电感器是DC/DC开关模式电源的关键元件，其电感值、直流电阻和饱和电流是选择的重要标准。一般设计时，所选电感应在满载和标称输入电压下提供约为平均电感器电流30%的峰 - 峰纹波电流。通过公式(L{MIN }=frac{V{INMIN } times(V{OUTMAX } - V{INMIN })}{Delta I{L} × f{SW } × V{OUT_MAX }})可计算所需的最小电感值。SGM6620系列优化的电感范围为2.2µH至4.7µH，可根据具体应用场景进行选择。同时，建议选择较低DCR的电感器以提高转换效率，但较小电感值会增加峰 - 峰电流和AC磁芯损耗，需要在电感尺寸和性能之间进行权衡。

4. 自举和VCC电容器选择

内部调节器使用0.1μF的陶瓷电容器为栅极驱动器提供偏置电压，建议选择质量好、ESR低且额定电压为10V或更高的陶瓷电容器。BOOT电容器在高端MOSFET关断且外部低端二极管导通时刷新。SGM6620系列内部LDO输出5V的稳压电压，在VCC引脚和GND引脚之间连接一个大于2.2μF的陶瓷电容器，建议选择X7R或X5R等级、额定电压高于10V的陶瓷电容器，以稳定VCC电压并解耦噪声。

5. MOSFET选择

外部低端功率MOSFET的(V{DS})额定值必须能够承受最大输出电压加上瞬态尖峰。在选择MOSFET时，需要平衡与MOSFET导通电阻和总栅极电荷（Qg）相关的导通损耗和开关损耗。同时，要注意死区时间的限制，确保低端和高端MOSFET不会同时导通。对于高开关频率设计，无引脚封装更好，可最小化驱动电路中的寄生电感。连接电阻到栅极时要小心，以免缩短实际死区时间。此外，MOSFET的栅极驱动器电流由VCC供电，要确保栅极阈值电压((V{TH}))低于最小输入电压，以保证MOSFET完全导通。

6. 输出电容器选择

升压转换器的输出电容器决定了输出电压纹波和负载瞬态响应。通过公式(C{MIN }=frac{I{OUT } times(V{OUT } - V{INMIN })}{f{SW } × Delta V × V_{OUT }})可估算实现所需输出电压纹波所需的最小电容值。选择电容器时要考虑陶瓷电容器的直流偏置效应，所选电容器的额定电压应高于最大工作输出电压30%以上。使用钽或铝电解电容器时，要考虑ESR来计算输出电压纹波。

7. 环路稳定性

SGM6620系列的补偿网络采用外部实现，以提高设计灵活性。通过在COMP引脚连接由(R{COMP})、(C{COMP})和(C{P})组成的II型补偿网络来配置环路响应。根据功率级小信号环路响应和补偿网络的小信号传递函数，确定误差放大器和功率级的极点和零点后，可设计补偿网络的元件值。设计的环路交叉频率((f{C}))应在RHPZ频率((f{RHPZ}))的1/5或开关频率的1/10以内，以避免不稳定。通过公式可计算(R{COMP})、(C{COMP})和(C{P})的值，当应用仅使用陶瓷电容器或计算出的(C{P})值小于10pF时，(C{P})可以不需要。为确保良好的环路补偿设计，相位裕度应大于45°，增益裕度应大于10dB，以提供良好的环路稳定性并避免负载和线路瞬态时输出电压的振荡。

8. 电源供应建议

SGM6620系列可在2.05V至23V的宽输入电压范围内工作。如果输入电源与设备距离较远，除了陶瓷电容器外，可能还需要额外的大容量电容器。

9. 布局指南

布局对于开关模式电源的性能至关重要。不良的布局可能导致系统不稳定、EMI故障和设备损坏。因此，应将电感器、输入电容器和输出电容器尽可能靠近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。对于升压转换器，输出电容器从VOUT引脚回到设备GND引脚的电流环路应尽可能小，连接SW节点的走线应尽可能短。建议在SGM6620/A下方设置接地层，以最小化层间耦合。由于SGM6620/A的功率密度较高，承载电流的SW、VOUT、VIN和PGND引脚应连接大的铜多边形，以确保良好的热性能，并建议在这些节点上设置热过孔。

八、总结

SGM6620/SGM6620A同步升压转换器凭借其宽输入输出电压范围、丰富的功能模式、强大的保护功能以及灵活的设计特点，为电子工程师在高功率应用设计中提供了一个优秀的选择。无论是在便携式设备、USB Type - C电源还是智能音箱等领域，都能发挥出其卓越的性能。但在实际设计中，工程师需要根据具体的应用需求，仔细考虑各个元件的选择和布局，以确保系统的稳定可靠运行。你在使用类似升压转换器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和想法。