摘要：該文章主要介紹了高壓大功率降壓DCDC芯片AP2953在基于ARM架構(gòu)上網(wǎng)本上的應(yīng)用，以及AP2953的結(jié)構(gòu)特性，應(yīng)用設(shè)計(jì)和使用特點(diǎn)。
Bstract: This paper introduces a high-efficient, wide input voltage and high output current PWM synchronous DCDC buck converter AP2953, includes it's exceptive characteristics and applications. A example used on the netbook based on ARM cortex architecture is given.
關(guān)鍵詞：ARM, 上網(wǎng)本，DCDC
隨著網(wǎng)絡(luò)速度的提升與普及，低價(jià)位、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)的上網(wǎng)本愈來(lái)愈受到消費(fèi)者的青睞。ARM架構(gòu)的上網(wǎng)本以其體積小、重量輕、成本低、功耗小、持久續(xù)航力、生產(chǎn)和維護(hù)簡(jiǎn)單而受到很多生產(chǎn)廠商和消費(fèi)者的矚目。飛思卡爾(Freescale)、德州儀器(TI, Texas Instrument)、安凱（Anyka）、三星（Samsung）等公司基于ARM架構(gòu)的處理器逐步占據(jù)一定市場(chǎng)。ARM架構(gòu)的上網(wǎng)本通常用兩節(jié)或三節(jié)鋰電供電，通過(guò)高效率降壓DCDC轉(zhuǎn)換成5V電壓，再由5V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V、2.5V、1.8V、1.2V等電壓給系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)部分供電。ARM架構(gòu)的上網(wǎng)本供電結(jié)構(gòu)如下：
圖1：ARM架構(gòu)的上網(wǎng)本供電結(jié)構(gòu)。
突出上網(wǎng)本的持久續(xù)航優(yōu)勢(shì)，除需要合適的組織架構(gòu)外，各電壓軌通路及器件選擇也是重要的一環(huán)。本應(yīng)用方案中，通過(guò)高壓大功率DCDC—AP2953將外部適配器電壓或電池組電壓高效率地轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)5V主電壓，然后再通過(guò)高效率低功耗DCDC—APS2406L和高精度低噪聲LDO—AP1231轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)各部分適用的電壓或直接給相關(guān)5V模塊供電，提高電源整體轉(zhuǎn)換效率。
AP2953是無(wú)錫芯朋微電子有限公司利用自主開(kāi)發(fā)的BCD工藝，專為便攜移動(dòng)計(jì)算和便攜移動(dòng)視頻、通信設(shè)備設(shè)計(jì)的高效率高壓高功率同步降壓轉(zhuǎn)換芯片。輸入工作電壓寬至4.75V到23V，輸出電壓0.925V可調(diào)至20V。3A的連續(xù)負(fù)載電流輸出可保證系統(tǒng)各狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行。其效率高達(dá)95%，滿足各系統(tǒng)日益增強(qiáng)的節(jié)能和持久工作的要求。內(nèi)部振蕩頻率340KHz ,以保證對(duì)系統(tǒng)其它部分的EMI干擾最小。該芯片還具有軟啟動(dòng)（時(shí)間可調(diào)）和逐周期過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)及過(guò)溫保護(hù)功能。AP2953的內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖如下：
圖2：AP2953的內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖。
工作原理：AP2953是一內(nèi)置兩顆MOS管的電流型控制同步整流降壓式DCDC轉(zhuǎn)換器。輸出電壓經(jīng)外部電阻分壓后由誤差放大器放大，然后和內(nèi)部檢測(cè)到的上管峰值電流進(jìn)行比較，其結(jié)果決定了上管導(dǎo)通時(shí)間的占空比，而占空比變化控制輸出電壓變化，從而完成了負(fù)反饋控制。
軟啟動(dòng)過(guò)程：上電時(shí)由于反饋電壓剛開(kāi)始會(huì)低于0.3V，系統(tǒng)進(jìn)入110KHz工作模式。內(nèi)部的電流源給軟啟動(dòng)電容充電，當(dāng)SS腳電壓到0.925V時(shí)，軟啟動(dòng)結(jié)束。
過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)：AP2953在每個(gè)周期都對(duì)上下管電流進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)輸出對(duì)地短路時(shí)，上管限流電阻所采樣的電壓達(dá)到所設(shè)定的限流點(diǎn)，芯片工作頻率變?yōu)?10KHz, COMP端被鉗位，芯片在最小占空比模式下運(yùn)行。
AP2953的典型應(yīng)用電路：
圖3：AP2953的典型應(yīng)用電路。
AP2953的典型工作效率：
圖4：AP2953的典型工作效率。
應(yīng)用設(shè)計(jì)
輸出電壓計(jì)算：根據(jù)輸出電壓公式Vo=0.925v*(1+R1/R2)可以得到輸出電壓值。要求用高精度反饋電阻。
電感量選擇：電感峰值電流 Ipeak=Iout+⊿IL/2;飽和電流通常為電感峰值電流的1.3-1.5倍。根據(jù)紋波電流計(jì)算電感量：
式1
其中⊿IL是電感紋波電流的峰－峰值。fs是開(kāi)關(guān)頻率。
輸入電容選擇：對(duì)于降壓DCDC，輸入電流是不連續(xù)的，需要輸入電容來(lái)提供交流通路。推薦使用低ESR的陶瓷電容X5R或X7R。輸入電壓紋波近似為：
式2
其中ILOAD是負(fù)載電流。
輸入電容所允許通過(guò)的有效交流電流值必須大于最大負(fù)載電流的一半。
輸出電容選擇：輸出電容是為了維持直流輸出電壓，推薦使用低ESR的陶瓷電容X5R或X7R。輸出電壓紋波近似為：
式3
輸出電容的耐壓值須大于輸出電壓的1.5倍。
補(bǔ)償器件選擇：COMP腳連著系統(tǒng)內(nèi)部誤差放大器的輸出，控制著系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。外部用阻容串聯(lián)器件來(lái)設(shè)置零極點(diǎn)的狀態(tài)，修正轉(zhuǎn)換傳輸函數(shù)以得到一個(gè)適當(dāng)?shù)沫h(huán)路增益，從而控制系統(tǒng)特性。系統(tǒng)的帶寬是影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的重要因素，系統(tǒng)帶寬減小會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變差；相位裕度則是影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素。通常將系統(tǒng)帶寬設(shè)置在低于開(kāi)關(guān)頻率的十分之一。R3的值和系統(tǒng)帶寬成正比關(guān)系，當(dāng)R3確定后，R3、C3共同決定了系統(tǒng)的相位裕量。通常選擇：
式4
其中fc是系統(tǒng)帶寬。
LAYOUT注意事項(xiàng)：
SW腳走出的線要盡量粗、短，電感要靠近3腳，BST電容C5要靠近1、3腳；輸入電容C1要靠近2腳。輸入電容、芯片地形成的環(huán)路要小，并且和電感、輸出電容形成的環(huán)路面積也要盡量小。反饋電壓需要從輸出電容C2后面取出，反饋電阻R1、R2要靠近Fb腳(第5腳)，并且要遠(yuǎn)離SW信號(hào)以防止干擾。要充分考慮大電流負(fù)載的散熱問(wèn)題。用于耗散IC所產(chǎn)生的熱量的散熱通路是從芯片至引線框架，并通過(guò)底部的散熱片到達(dá)PC板銅面，和散熱片相連的銅箔面積應(yīng)盡可能寬，可在線路板層內(nèi)部和背部增加通孔以充分提高散熱性能。
以上介紹了AP2953的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、特性以及應(yīng)用設(shè)計(jì)和注意事項(xiàng)，給出了在實(shí)際ARM架構(gòu)上網(wǎng)本中的應(yīng)用案例。該器件以其寬工作電壓范圍、大輸出電流以及高轉(zhuǎn)換效率也應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、FBGA、DSP、ASIC等系統(tǒng)的供電方案，在車載設(shè)備、工業(yè)控制領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用前景。
作者簡(jiǎn)介：楊大鵬，無(wú)錫芯朋微電子公司特聘資深應(yīng)用工程師，曾在通訊終端產(chǎn)品、消費(fèi)類產(chǎn)品領(lǐng)域從事整機(jī)設(shè)計(jì)二十余年。
