芯洲科技BUCK芯片更卓越之路——LDO模式新优化，适应更宽范围输入电压
降压电路能够有效的将较高的直流输入转换为较低的直流输出，提供稳定的电流和电压输出。BUCK芯片、LDO作为两种广泛应用的拓扑结构，因其不同特性在不同供电系统中各司其职。
BUCK芯片因其高转换效率成为工程师们的首选，尤其在输出较大电流时；LDO（低压差线性稳压器）可以支持更小压差的降压转换，且输出电压更稳定，但无法支持较大负载场景。
一、BUCK电路的挑战
随着各个领域衍生出的智能产品层出不穷，电源系统也在逐渐进化，电源芯片发展出了更宽的工作输入电压。
对于既定的输出电压，当输入电压上限提高时，选择更高耐压等级的DCDC可以解决；当输入电压的下限要求更低时，BUCK电路受限于拓扑限制，需要关闭上管MOS开通下管MOS给BOOT电容充电，进而维持上管开通所需的Vgs电压。
因存在Mini_off时间从而引出了最大占空比问题，从下列公示可以清晰的看出Toff越大，D越小，Vout越小：即最大占空比影响着芯片的最大输出电压
在此限制下BUCK电路进行低压差降压转换时，会出现输出电压压降过大甚至动态响应变差、输出纹波大的问题。此时想到LDO——针对低压差应用而生的降压芯片，如果把LDO的优势融入到BUCK芯片中，尽可能扩大BUCK电路的最大占空比，无疑是一个很好的解决方案。
二、LDO模式崭露头角
在电池供电、USB供电等一些场景，需要输入电压最小工作值略高于输出电压高零点几伏，此时受最大占空比限制，在输入电压的最低点，输出电压将无法维持设定值。
芯洲科技针对这一需求，开发了极限占空比控制技术，可以支持接近100%占空比工作模式。在这种模式下，芯片通过自适应降低工作频率，减小上管Mini_off时间在一个开关周期内的占比，进而提高了最大占空比。这种Low Drop-out Operation即LDO模式，有效解决了需要进行低压差转换的应用需求。下图1即为芯洲SCT2450Q的LDO模式表现：
图1 SCT2450Q在设定输出5V时的LDO模式表现
当SCT2450Q设定5V输出电压，空载工作波形如图2，输入5V可以维持5V稳定输出，工作频率降低到1.6kHz，此时输出纹波132mV；随着负载增大到5A，输入电压5V不变时如图3，工作频率降低到1kHz以下输出电压4.4V，此时输出纹波960mV。
图2 Vin=5V Vout=5V Fsw=1.639kkHz Vo_pp=132mV 图3 Vin=5V Vout=4.4V Fsw=735Hz Vo_pp=960mV
从上述测试可以看出，LDO模式下开关频率被压榨到1kHz以尽可能增大占空比，空载时可以达到100%，实际测试发现了新的问题：电感啸叫，这一点从SW的频率上也能发现。在输入电压更低时，开关频率落入20kHz以下的人耳可听的频率范围，引发电感啸叫。因此我们需要给上管MOS提供足够的开启电压，避免上管的关断产生的SW低频开关。最简单有效的办法就是增加一路隔离5V给BOOT-SW供电，保证上管驱动电压维持在5V从而支持上管常开，此时BUCK芯片工作在直通模式。
但是增加一路额外的隔离电源会增加很大的板面积以及成本，如果利用定时器产生方波，或者板上有二级BUCK工作在CCM模式或轻载FPWM模式，提供通过二极管和电容产生倍压电路给到BOOT-SW从而保证BOOT电压。
图4 Vin=5.6V Vout=4.95V Iout=5A Vo_pp=900mV 图5 Vin=5V Iout=0A-5A-0A Vo_pp=1.9V
我们用定时器搭建对BOOT-SW维持5V供电的电路进行测试，由于低压差时芯片直接工作在直通模式，空载和带载只有6mV的输出纹波，但是直通模式下由于没有环路调节，如图4临界状态的输出纹波有900mV，图5所示的直通模式下动态响应纹波高达1.9V。
三、新一代LDO模式升级
综合，LDO模式解决了BUCK电路低压差场景的工作问题，但当输入电压进一步降低时仍然存在问题；而通过增加外围电路方式虽然可以解决，但同时增加了额外的板面积以及成本。
芯洲开发第二代BUCK芯片的LDO工作模式，在实现降频工作的基础上，同时限制最低工作频率，避开人耳可听噪声频段，从芯片自身层面解决实际应用中带来的困扰。芯洲40V家族产品SCT2434Q（3A/3.5A），SCT2464Q（6A），60V家族产品SCT2632B（3A），SCT2630B（3.5A）等均加入了针对性优化的第二代LDO工作模式，下面我们以SCT2464Q为例，看看新一代LDO模式实际表现。
图6 Vin=5V Vout=4.9V Fsw=96kHz Vo_pp=12mV 图7 Vin=5V Vout=4.6V Fsw=96kHz Vo_pp=15mV
同样设定SCT2464Q的输出电压为5V，在输入电压5V的情况下，输出空载时如下图6工作频率96kHz，输出纹波12mV；带载5A时如下图7工作频率96kHz，输出纹波15mV。
同样使负载从0A~5A~0A切换，从下图8可以看到动态响应能力也明显提升，动态响应纹波只有1V。
图8 Vin=5V Io=0-5-0A时的动态响应
找到输入电压在大于5V的临界点，增大输入电压让芯片由LDO模式进入BUCK模式，再减小输入电压使其回到LDO模式，从图9可以看到在整个变化过程中，输出一直维持稳定状态，最大输出纹波也仅仅只有40mV。
图9 Io=5A时 LDO-BUCK-LDO临界模式切换
我们把第一代LDO模式，第一代LDO+外部BOOT电压模式，第二代LDO模式的各项测试数据做成如下对比表格，可以更全面、直观的看到细节上的技术升级给实际应用带来的性能提升。
此外，除了常规的buck应用外，这种直通模式应用还可以作为efuse功能，当做短路和过流保护器件。
芯洲科技坚持对电源产品开发的极致追求，不断迭代对占空比控制、EMI优化、音频干扰抑制等一系列技术方案，持续为客户创造更大价值提供更好的服务
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