FAN65004B同步PWM降压调节器：高效电源解决方案

引言

在电子设备的电源设计中，高效、稳定的降压调节器至关重要。onsemi的FAN65004B同步PWM降压调节器凭借其出色的性能和丰富的功能，成为众多应用场景的理想选择。本文将深入介绍FAN65004B的特点、功能、应用以及设计要点，帮助电子工程师更好地了解和使用这款产品。

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产品概述

FAN65004B是一款宽输入电压范围的高效同步降压调节器，集成了高端和低端功率MOSFET。它支持4.5V至65V的宽电压范围，能够处理高达6A的连续电流。该调节器采用固定频率电压模式PWM控制，具有0.67%的精确参考电压，可实现精确的输出电压调节。其开关频率可在100kHz至1MHz之间编程，还支持轻载条件下的不连续导通模式（DCM），以提高效率。

产品特点

宽输入电压范围

FAN65004B支持4.5V至65V的输入电压范围，适用于各种不同的电源应用，如高压负载点（POL）模块、电信基站电源、网络设备等。

高输出电流能力

能够提供高达6A的连续输出电流，满足大多数负载的需求。

精确的参考电压

0.6V的参考电压具有0.67%的精度，确保输出电压的稳定性和准确性。

可调节的开关频率

开关频率可在100kHz至1MHz之间调节，工程师可以根据具体应用需求选择合适的频率，以平衡效率和电磁干扰（EMI）。

双LDO设计

集成双LDO，可提供内部电源并平衡功率损耗，提高系统效率。

丰富的保护功能

具备过流保护、热关断、欠压锁定、过压保护、欠压保护和短路保护等多种保护功能，确保系统的可靠性和稳定性。

功能详解

LDO设计

FAN65004B集成了两个LDO，用于提供内部电源并平衡功率损耗。LDO1的输入HVBIAS用于初始内部偏置和输入电压前馈补偿，系统输入电压VIN应始终连接到HVBIAS引脚，并建议在VIN和HVBIAS之间使用RC滤波器以过滤高频开关噪声。在电源启动时，LDO1始终被选中。系统软启动完成后，LDO的选择取决于HVBIAS和EXTBIAS引脚的电压。如果EXTBIAS引脚有电压且高于4.7V，则选择LDO2；否则，LDO1继续为设备供电。

使能和欠压锁定

EN/UVLO信号用于设备的使能和禁用，当电压高于阈值VEN_TH（典型值为1.22V）时，设备启用；低于该阈值时，设备禁用。该信号的精确阈值电压还可用于设置系统输入电压水平，高于该水平时FAN65004B启用，低于该水平时禁用。

软启动

软启动功能在EN信号变为高电平后最多延迟3ms启用。在此延迟期间，如果SS电容有残余电压，则将其放电。如果延迟后SS电压仍不为0，则触发故障条件，设备进入打嗝模式；否则，启动软启动过程。一个典型的5A恒定电流从SS引脚流出，对SS引脚的电容充电。误差放大器根据SS引脚电压和固定的0.6V参考电压中的较低值调节转换器输出电压。随着SS电压线性上升，调节器输出电压跟随SS电压上升。当SS电压超过0.6V参考电压时，SS电压不再参与调节，转换器输出电压被调节到0.6V参考电压。当SS电容充电到1.5V时，SS定时器停止计数，设备检查FB是否达到94%VREF。如果未达到，则进入打嗝模式；否则，认为软启动成功，继续对SS电容充电直到达到VCC。

开关频率设置

内部时钟发生器的开关频率可通过连接在RT引脚和GND引脚之间的电阻在100kHz至1MHz之间编程。开关频率与外部电阻的关系可通过公式(f{SW}=min left[frac{10^{4}}{RT+2.5}+50,1300right])计算，其中(f{SW})的单位为kHz，RT的单位为(k Omega)。当设备启用时，会检查RT引脚的配置以确定开关频率或是否存在故障。如果RT连接到VCC，开关频率为250kHz；如果短路到GND，开关频率为500kHz。如果RT引脚最初悬空或从非悬空状态变为悬空，设备将进入打嗝模式。

频率同步

FAN65004B可以设置为主模式或非主模式。在主模式下，它通过SYNC引脚发出时钟信号；在非主模式下，它可以从SYNC引脚接收外部时钟信号（频率在RT设置频率的±30%范围内），或者使用RT设置时钟。两种模式通过MODE引脚配置。

工作模式

MODE引脚控制脉冲调制和频率同步两种功能。脉冲调制包括连续导通固定频率脉冲宽度调制（强制CCM）和带脉冲跳跃的不连续导通调制（DCM带脉冲跳跃）。如果需要低输出电压纹波，可以选择强制CCM PWM操作；为了降低轻载时的功率损耗，可以选择DCM带脉冲跳跃模式。

功率良好指示

比较器监测FB电压并控制一个开漏MOSFET，PGOOD引脚连接到该MOSFET的漏极。为了正确使用PGOOD信号，需要连接一个上拉电阻到外部电压源。当FB电压超过94%VREF（典型值为0.6V）时，PGOOD信号在延迟tPG_DL后被置位；当FB电压低于92%VREF时，PGOOD信号被复位。PGOOD信号仅在设备启用且软启动完成（SS电压高于0.6V）后有效。当检测到OVP1时，PGOOD信号被复位；当FB电压下降到110%VREF时，PGOOD信号重新置位。

电流限制设置

通过连接在ILIM引脚和GND之间的电阻R_ILIM设置高低端MOSFET的电流限制。一个8.5A的内部电流源流过RILIM，产生一个参考电压，高低端MOSFET的RDSON上的电压降与该参考电压进行比较，以产生过流事件。高端MOSFET电流在正向（从漏极到源极）进行监测，低端MOSFET电流在反向进行监测。当低端MOSFET正常导通时，其电流从地流向开关节点，此时不监测电流；如果电流从开关节点流向地，则认为异常并进行监测。高低端MOSFET的电流限制计算公式为(I{LIM}=k{ILIM} ×R{ILIM})，其中(k_{ILIM})参数在电气特性表中给出。如果ILIM连接到VCC，系统处于待机模式，除驱动器外的所有模块都启用。

保护功能

• 过流保护（OCP）和短路保护（SCP）：FAN65004B对高低端MOSFET的过流保护方式不同。对于高端MOSFET，根据电流限制设置了两级过载保护：过流保护（OCP）和短路保护（SCP）。当高端MOSFET电流iDS_HS在100%ILIM_HS ≤ iDS_HS < 130%ILIM_HS范围内时，发生OCP；当(iDS_HS ≥) 130%ILIM_HS时，发生SCP。FAN65004B持续监测MOSFET电流，并提供逐周期峰值电流限制。一旦电流超过限制，高端MOSFET将被关闭。如果连续发生1024次OC事件，无论FB电压如何，系统将进入打嗝模式。在输出短路或电感饱和等最坏情况下，电流超过电流限制的130%，设备将立即启动短路保护并进入打嗝模式。对于低端MOSFET，当电流超过其电流限制ILIM_LS时，进行逐周期保护。在低端MOSFET导通的每个周期，检查其电流。如果电流超过限制，低端MOSFET将立即关闭，并保持关闭状态直到下一个开关周期。这个过程重复进行，直到过流事件解除（低端MOSFET电流小于ILIM_LS）。低端MOSFET过流保护不影响高端MOSFET的开关，即如果高端MOSFET没有发生过流事件，高端MOSFET将保持正常开关。
• 打嗝模式：当满足故障条件时，高低端MOSFET关闭一段时间tHICCUP（典型值为1s），软启动电容放电。然后设备进入软启动。软启动后，如果再次满足故障条件，高低端MOSFET再次关闭tHICCUP，软启动电容再次放电。故障事件解除后，系统恢复正常运行。
• 过压保护（OVP）：有两级过压保护：过压保护1（OVP1）和过压保护2（OVP2）。当FB电压高于115%但低于130%VREF时，触发OVP1，高低端MOSFET立即关闭。当FB下降到或低于VREF时，系统恢复正常运行，并在下一个时钟周期启动新的PWM信号。当FB电压高于130%VREF时，触发OVP2，高端MOSFET立即关闭，低端MOSFET导通。如果在低端MOSFET导通期间发生过流事件，将按照“过流保护（OCP）和短路保护（SCP）”部分所述进行逐周期保护。一旦过流事件解除，低端MOSFET将保持导通，直到FB电压下降到或低于VREF。当FB电压达到100%VREF时，启动一个打嗝周期。打嗝后，器件将进入软启动序列并尝试调节。如果在打嗝期间发生OVP2，将不采取任何措施。在OVP情况下，功率良好信号被复位，当(V_{FB})下降到110%VREF时重新置位。
• 欠压保护（UVP）：当输出电压低于其调节水平的35%（在FB引脚检查）时，触发欠压保护（UVP），IC进入打嗝模式。
• 过温保护（OTP）：设备持续监测结温。当检测到的温度高于保护点TJ_SD时，发生过温保护（OTP）事件，系统关闭。当检测到的温度比触发点TJ_SD低20°C时，OTP解除，系统通过软启动复位。

应用领域

高压POL模块

FAN65004B的宽输入电压范围和高输出电流能力使其非常适合高压POL模块应用，能够为各种负载提供稳定的电源。

电信领域

在电信基站电源中，FAN65004B可以提供高效、稳定的电源，满足基站设备的需求。

网络设备和计算领域

可用于计算机、电池管理系统和USB-PD等应用，为这些设备提供可靠的电源支持。

工业设备

适用于自动化、电动工具和老虎机等工业设备，确保设备的稳定运行。

设计要点

输出电感选择

输出电感的选择应满足输出纹波要求。电感值决定了转换器的纹波电流(Delta IL)，最大纹波电流发生在最高输入电压时。为了不超过最大纹波电流（通常为最大电感电流的30%至70%），可以根据公式(L geq frac{left(V{IN }-V{OUT }right)}{F{SW} cdot Delta I{L}} cdot D)选择电感值。

输出电容选择

输出电容的选择应满足动态调节要求，包括纹波电压和负载瞬态。对于纹波电压考虑，建议使用陶瓷电容以维持低输出电压纹波，可以使用公式(Delta{OUT }=frac{V{OUT } cdot(1-D)}{8 cdot F{SW}^{2} cdot L cdot C{OUT }})计算输出电容值，使纹波输出电压在Vout的1%以内。同时，还需要考虑提供全上升阶跃瞬态负载电流所需的最大电容值，可以使用公式(C{MIN }=frac{L cdot I{PK}^{2}}{left(V{OV}+V{OUT }right)^{2}-V_{OUT }^{2}})计算最小输出电容值。

输入电容选择

输入电容的电压和RMS电流额定值是关键因素。通常，输入电容的设计基于2%的输入电压纹波。电容的电压额定值必须至少是最大输入电压的1.25倍。输入电容提供的最大RMS电流发生在50%占空比且(Vin =2 x) Vout时。RMS电流随负载变化，可通过公式(CIN(RMS) =I_{OUT } cdot sqrt{D cdotleft(1-D+frac{Delta IL(pp)^{2}}{12}right)})计算。建议使用陶瓷电容，因为它们具有低ESR的特点。

环路补偿

FAN65004B是一款电压模式降压调节器，通过外部组件对误差放大器进行补偿，以实现精确的输出电压调节和快速瞬态响应。补偿网络的目标是提供一个具有最高交叉频率、足够相位和增益裕度的环路增益函数。输出滤波器的谐振频率和零点可以通过公式(f{p 0}=frac{1}{2 pi cdot sqrt{LC{OUT }}})和(f{z 0}=frac{1}{2 pi cdot ESR cdot C{OUT }})计算。为了便于计算，在(C 1 gg C 3)的情况下，可以使用公式(f{z 1}=frac{1}{2 pi cdot(R 10+R 9) cdot C 9})、(f{z 2}=frac{1}{2 pi cdot R 8 cdot C 7})、(f{p 2}=frac{1}{2 pi cdot R 9 cdot C 9})、(f{p 3}=frac{1}{2 pi cdot R 8 cdot C 8})和(f{c}=frac{V{IN}}{2 pi cdot V_{Ramp } cdot R 10 cdot C 7})计算补偿网络的参数。

热考虑

在测量热性能时，应将热电偶放置在IC的最热位置（而不是部件的中心）。

布局指南

• 将RT电阻和SS电容靠近RT和SS引脚放置。
• 使用低阻抗源（如逻辑门）驱动SYNC引脚，并保持PCB走线尽可能短。
• 数字信号（如EN/UVLO、PGOOD和SYNC）的组件可以远离设备放置。
• 将BOOT电容紧挨着BOOT和PH引脚放置。如果需要高端MOSFET驱动强度的灵活性，可以在BOOT电容上串联一个电阻。对于(Vin >40 ~V)，使用Rboot (=2 ohm)。
• 将电感放置在顶层。限制SW走线仅覆盖电感引脚，并保持走线尽可能宽以散热。
• 避免所有补偿组件穿过、位于开关走线之上或之下。
• 使开关节点远离敏感小信号节点（FB）。理想情况下，开关节点的印刷电路走线应远离IC，特别是IC的安静侧。使用接地走线或接地平面将高dv/dt走线与敏感小信号节点分开。
• 在PVCC、VCC、HVBIAS和EXTBIAS旁边放置去耦电容。
• 输出电容应尽可能靠近负载放置。使用短而宽的铜区域将输出电容连接到负载，以避免电感和电阻。

总结

FAN65004B同步PWM降压调节器以其宽输入电压范围、高输出电流能力、精确的参考电压、可调节的开关频率、丰富的保护功能和灵活的工作模式，为电子工程师提供了一个高效、稳定的电源解决方案。在设计过程中，合理选择输出电感、电容，进行环路补偿，注意热考虑和布局指南，能够充分发挥FAN65004B的性能，满足各种应用的需求。你在使用FAN65004B过程中遇到过哪些问题？欢迎在评论区分享你的经验和见解。