Simple Switcher，顧名思義，中文譯名 “易電源”，1989年simple switcher推出了第一代產(chǎn)品LM2576，芯片集成了 MOS管、外圍控制及補(bǔ)償電路，外圍電路非常簡(jiǎn)單，無(wú)需客戶(hù)花太多的時(shí)間設(shè)計(jì)和調(diào)試，深受客戶(hù)喜歡，風(fēng)靡全球，至今仍然在眾多的工業(yè)客戶(hù)中廣泛應(yīng)用，經(jīng)過(guò)二十幾年的發(fā)展，simple switcher已經(jīng)推出了很多代產(chǎn)品。本文主要介紹Simple switcher第5.5代產(chǎn)品，詳細(xì)分析其特性及參數(shù)指標(biāo)。此產(chǎn)品可以廣泛地應(yīng)用在工業(yè)、汽車(chē)和通訊等領(lǐng)域。
背景
隨著工業(yè)，汽車(chē)，通訊等客戶(hù)系統(tǒng)的日益發(fā)展，一些新的需求不斷被提出，比如產(chǎn)品的小型化，低功耗，低壓差工作。LM2596, LM2575這些老的產(chǎn)品漸漸不能適用要求，第5.5代產(chǎn)品就是在這樣的背景下產(chǎn)生的。該系列為40V耐壓產(chǎn)品，共有三顆產(chǎn)品號(hào)，LMR14020, LMR14030，LMR14050，對(duì)應(yīng)的電流分別是2A，3.5A，5A，采用SO8封裝。圖1為其典型應(yīng)用電路。相比較以前的產(chǎn)品，不僅保持了簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)，同時(shí)5.5代產(chǎn)品擁有更豐富的特性及更出色的性能。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
Simple switcher第5.5代產(chǎn)品性能
寬電壓輸入
寬電壓輸入的需求在工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用中越來(lái)越普遍，耐壓到40V的應(yīng)用占到31%，如此多的寬壓需求主要來(lái)自以下幾個(gè)方面。一：系統(tǒng)本身是一個(gè)寬電壓的輸入，比如溫控器工作輸入電壓是24V，工作電壓范圍為18V-32V；二：汽車(chē)或卡車(chē)電池供電的系統(tǒng)，正常工作電壓為12V或24V，但在拋負(fù)載的時(shí)候電壓可能會(huì)達(dá)到30V以上，而冷啟動(dòng)過(guò)程中電壓甚至又會(huì)跌至5V左右，電壓范圍變化非常寬；三：電梯控制系統(tǒng)，供電輸入線很長(zhǎng)，在系統(tǒng)啟動(dòng)瞬間，由于寄生電感的存在，LDi/dt會(huì)引起很高的尖峰電壓。四：工程師會(huì)留一些安全余量，會(huì)對(duì)元器件降額使用等等。Simple switcher第5.5代產(chǎn)品覆蓋了4V至40V輸入電壓的應(yīng)用范圍，非常適合應(yīng)用在工業(yè)和汽車(chē)?yán)锩娴墓╇姟?/p>
靜態(tài)工作電流
近年來(lái)“綠色環(huán)保”概念廣為流行，一方面是人口增長(zhǎng)帶來(lái)的能源供給壓力，另一方面是能源開(kāi)采過(guò)程帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題，越來(lái)越多的工業(yè)化國(guó)家普遍意識(shí)到了節(jié)約能源的重要性，很多國(guó)家開(kāi)始施行“綠色政策”，鼓勵(lì)制造商在終端產(chǎn)品引入節(jié)能技術(shù)。。就DC/DC轉(zhuǎn)換器而言，節(jié)能意味著較高的轉(zhuǎn)換效率及較低的待機(jī)功耗。。
另外在汽車(chē)領(lǐng)域，靜態(tài)電流對(duì)蓄電池也有影響，靜態(tài)電流越大則蓄電池能量消耗越快。蓄電池作為車(chē)輛冷起動(dòng)的唯一能量提供者，如果能量消耗過(guò)多則可能導(dǎo)致無(wú)法正常起動(dòng)車(chē)輛。歐洲的汽車(chē)OEM一般要求6-8周的待機(jī)時(shí)長(zhǎng)，即在6-8周內(nèi)能夠正常起動(dòng)車(chē)輛。DC/DC電源在汽車(chē)熄火后需要保持待機(jī)工作狀態(tài)，主要的供電需求主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面。。一、功能的需要，比如電子時(shí)鐘的走時(shí)（計(jì)時(shí)）電路；遙控電路的接收部分。二、故障診斷的需要，為了快速解決車(chē)輛故障現(xiàn)在的車(chē)輛都具有診斷功能，即控制器能識(shí)別故障的原因并以代碼的形式存儲(chǔ)于控制器內(nèi)。
Simple switcher第5.5代產(chǎn)品在睡眠模式中，僅吸收40uA電流，非常適合于電池供電設(shè)備及一些節(jié)能環(huán)保的系統(tǒng)里。如圖2所示，12V轉(zhuǎn)5V在10mA時(shí)的效率達(dá)到80%，性能非常出色。
最小導(dǎo)通時(shí)間
Buck電路的輸入輸出轉(zhuǎn)換公式為Vout=DVin，D為導(dǎo)通占空比，對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通時(shí)間ton=D/fs。高頻化一直是開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。一方面，高頻化能夠降低電感、電容值的需求，契合客戶(hù)產(chǎn)品小型化、低成本的需求。另一方面，許多汽車(chē)領(lǐng)域的客戶(hù)為了避免電源對(duì)AM頻段的干擾，需要電源開(kāi)關(guān)頻率在AM頻段之上。。這里以2MHz開(kāi)關(guān)頻率為例，若需要將12V轉(zhuǎn)為3.3V，理論導(dǎo)通時(shí)間為137.5ns。換言之，只有芯片的可控導(dǎo)通時(shí)間低于137.5ns，輸出才能正常穩(wěn)壓。。Simple switcher第5.5代產(chǎn)品最小導(dǎo)通時(shí)間為75ns，非常合適高頻的應(yīng)用場(chǎng)合，，在同類(lèi)產(chǎn)品中，該指標(biāo)也是很卓越的。
最大占空比
上一節(jié)有提到過(guò)，Buck電路的輸入輸出轉(zhuǎn)換公式為Vout=DVin，理論上如果D=1的話， Vout=Vin。但在實(shí)際情況下，由于內(nèi)置MOS管驅(qū)動(dòng)電路沒(méi)辦法使MOS管一直導(dǎo)通，因此很難做到100%的占空比。大部分內(nèi)部集成N-MOS的電源芯片，它需要一個(gè)自舉電容來(lái)提供驅(qū)動(dòng)N-MOS開(kāi)通的能量，如圖中所示Cboot即為驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)能電容。電容充電需要時(shí)間的，當(dāng)占空比較大，下二極管導(dǎo)通時(shí)間比較短的時(shí)候，Boot電容的能量充不滿的話，那在下一個(gè)周期里Mos管就不能可靠導(dǎo)通，在這種情況下，輸出不穩(wěn)定或大幅震蕩。所以在有些芯片中，最大占空只能做到80%左右。在電壓?jiǎn)?dòng)和電壓跌落的過(guò)程中，當(dāng)輸入接近輸出的時(shí)候，會(huì)限制芯片的應(yīng)用。在simple swithcher 第5.5代產(chǎn)品中，最大占空比可以做到97%。
其工作原理如下圖所示，在芯片內(nèi)部集成了一個(gè)小的Wimp Mos管，在平時(shí)正常工作時(shí)這個(gè)Mos管是不工作的。當(dāng)輸入接近輸出時(shí)，如果Boot電容上的電壓跌至一定電壓時(shí)，這個(gè)Mos管會(huì)強(qiáng)制導(dǎo)通一小段時(shí)間，使得Boot電容上的電壓恢復(fù)至額定值。圖為實(shí)測(cè)結(jié)果，在低壓差情況下，輸出對(duì)于輸入的跟蹤非常好，沒(méi)有任何電壓波動(dòng)。。
EMI
EMI是一個(gè)經(jīng)常困擾電源工程師的問(wèn)題，很多資深的工程師有時(shí)對(duì)它也束手無(wú)策。工程師往往需要通過(guò)使用較大的濾波器（增加成本），或者降低MOS管開(kāi)關(guān)速度（增加開(kāi)關(guān)損耗）等方法去解決EMI。。而Simple switcher第5.5代產(chǎn)品提供可一個(gè)抖頻的功能（可選項(xiàng)），當(dāng)系統(tǒng)EMI遲遲不能解決的時(shí)候，可以嘗試一下抖頻的功能，也許很快就解決了EMI的問(wèn)題。如圖所示，抖頻對(duì)傳導(dǎo)的改善很明顯。
結(jié)論
通過(guò)上面對(duì)simple swithcher 第5.5代產(chǎn)品的介紹，除了簡(jiǎn)單易用這個(gè)最大的特點(diǎn)之外，其產(chǎn)品性能也是非常卓越的，可以滿足工業(yè)和汽車(chē)客戶(hù)的各種需求，完美的解決了易用性和高性能的平衡。具體的參數(shù)設(shè)計(jì)可以參考對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊(cè)，另外我們的在線仿真工具Webench可以提供原理圖、材料清單、仿真和設(shè)計(jì)文件，為客戶(hù)節(jié)省大量的時(shí)間和成本。