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
![BUCK芯片,LDO,低压差线性稳压器,降压芯片](https://www.sekorm.com/front/website/images/sekormContent.jpg)
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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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