LM2717型雙降壓直流/直流變換器的原理及使用

LM2717是美國國家半導體公司推出的一款全新的高性能DC/DC變換器，內含2個降壓脈寬調制(pWM)直流/直流變換器，其中一個專門用來提供固定輸出3.3V電壓，另一個專門用來提供可調輸出電壓。2個變換器都設有導通電阻(RDSON)惟有0.16Ω的內部開關，確保轉換效率最高，工作頻率可以在300kHz~600kHz調節，系統可以采用較小巧的外部元件。每個變換器也可以用其封閉引腳單獨封閉。該電路可廣泛使用于薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)、測控裝置、便攜式產品和膝上電腦。

LM2717的主要特性如下：

3.3V固定輸出降壓變換器，內有一個電流為2.2A、電阻為0.16Ω的內部開關；可調降壓變換器有一個電流為3.2A、電阻為0.16Ω的內部開關；工作輸入電壓范圍是4V～20V；低電壓輸入保護；可調工作頻率范圍為300kHz-600kHz；24引腳TSSOp封裝。

2引腳功能

如圖1所示為LM2717的引腳排列，各個引腳的基本功能如下：

pGND(1，2，11，12)：電源地，AGND和pGND非得筆直連在一起。AGND(3,9，10)：模擬地，AGND和pGND非得筆直連在一起。FBl(4)：固定降壓輸出電壓的反饋輸入端。VC1(5)：固定降壓補償網絡連接引腳，接至電壓誤差放大器的輸出端。VVG(6)：帶隙連接端。VC2(7)：可調降壓補償網絡連接引腳，接至電壓誤差放大器的輸出端。FB2(8)：可調降壓輸出電壓的反饋輸入端。SW2(13)：可調降壓電源開關輸入端。開關連接在VIN引腳和SW2引腳之間。VIN(14，15,23)：模擬電源輸入端。VIN引腳應當筆直連在一起。CB2(16)：可調降壓變換器自舉電容器連接引腳。SHDN2(17)：可調降壓變換器的封閉引腳。低電壓時激活。SS2(18)：可調降壓軟啟動引腳。FSLCT(19)：轉換頻率選擇輸入端。利用一只電阻器可在300kHz~600kHz范圍內設置頻率。SSI(20)：固定降壓軟啟動引腳。SHDNl(21)：固定降壓變換器的封閉引腳。低電壓時激活。CBl(22)：固定降壓變換器自舉電容器連接引腳。SWl(24)：固定降壓電源開關輸入端。開關連接在VIN引腳和SWl引腳之間。

3工作原理

圖2所示為LM2717的內部結構框圖。該器件有專門的保護電路，正常工作時，該電路對LM2717具有保護功能。當器件溫度過高時，熱封閉電路會切斷電源。OVp比較器在電源啟動和封閉期間保護電源裝置，戒備器件在最小輸入電壓下工作。OVp比較器被用來戒備輸出電壓在沒有負載情況下上升，準許在滿載條件下的全脈寬調制(pWM)。當電源電流達到10μA時，該器件會使變換器工作在封閉模式。

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該器件內含電流模式的脈寬調制降壓調節器。降壓調節器逐步把輸入電壓降低為一個較低的輸出電壓。在導通模式下(當電感電流在穩定狀態下恒不為零時)，降壓調節器有兩個工作周期。電源開關連接在VIN和SWl、SW2引腳之間。

在第一個工作周期里，晶體管關斷，二極管反向偏置。能量貯存在電感中，負載電流由COUT和通過電感增加的電流提供。在第二個工作周期中，晶體管導通，二極管正向偏置，由于電感電流不能瞬間改變方向。貯存在電感中的能量轉移到負載和輸出電容器。這兩個周期的比率確定輸出電壓，輸出電壓可近似地定義為：

式中，D是開關的占空因數，D和D’為設計計算時需要。

4使用設計

圖3所示是LM2717的典型使用電路。圖中，VIN是整個使用電路的電壓輸入端，VOUT1是固定降壓變換器的電壓輸出端，VOUT2是可調降壓變換器的電壓輸出端。CIN、Coot、CSS、CBOOT、L分別是輸入電容器、輸出電容器、軟啟動電容器、自舉電容器、電感，這幾個元件在設計時應著重考慮。這里主要解析利用該電路進行設計時一些主要外元件的選擇原則及需留意的問題。

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4.1外部元件的選擇

輸出電壓是根據反饋引腳和連接到輸出端的電阻分壓器設計的，如圖3所示。反饋引腳的電壓是1.26V，因此依據式(2)，由反饋電阻比來設計輸出電壓：

輸入電容器的選擇。在輸入引腳和電源地之間需接一只低ESR(等效電阻)的鋁、鉭或者陶瓷輸入電容器CIN該輸入電容器可戒備輸入端萌生瞬時大電壓。輸入電容器的選擇是基于RMS電流和電壓要求。

RMS電流由下式給出：

當輸入電壓VIN等于2VOUT時，RMS電流達到最大值(IOUT/2)。應當對兩個變換器分別計算該值，然后相加得到總RMS電流。如果使用鋁或陶瓷電容器來說，電壓應至少高于輸入電壓最大值的25％。如果使用的是鉭電容器，需要電壓約莫是輸入電壓最大值的2倍。對于較低的負載電流輸出使用和較少的動態(快速變化)負載環境來說，最小電容值應為47μF。因此在這種使用中，推薦使用一只68μF-100μF的低ESR電容器。推薦在輸入引腳和接地引腳之間放置一只O.1μF~4.7μF電容器，以減少高頻毛刺。

電感的關鍵參數是電感系數、峰值電流和直流阻抗。電感系數與電感波紋電流峰-峰值、輸入電壓以及輸出電壓有關(工作頻率是300kHz)。即：

較高的波紋電流能減小電感系數，但是會增加電感和開關裝置的電導損耗、核損耗和電流壓力。對于同樣輸出電壓波紋要求,則需要一只大容量的輸出電容器。波紋電流設置為直流輸出電流的30％是合理的。因為波紋電流會隨著輸入電壓增加而增加,最大輸入電壓會削弱電感系數。電感的直流阻抗是效率的一個主要參數。較低的直流阻抗可利用一個較大的線圈實現。效率和尺寸大小之間的良好折衷方案為電感銅損耗等于輸出電壓的2％。

輸出電容器(CONT)的選擇受最大準許輸出電壓波紋影響。輸出電壓波紋在固定頻率脈寬調制模式下近似值為：

ESR在決定電壓波紋時通常起著支配的作用。推薦使用低ESR的鋁電解電容器或鉭電容器。溫度低于-25℃時不要使用電解電容器，因為它的ESR低溫下會極快的上升。而陶瓷或鉭電容器則在低溫時具有較好的ESR，因此在低溫使用中首選陶瓷或鉭電容。

自舉電容器推其使用4.7nF或者較大的陶瓷電容器。對于輸入電壓小于2倍的輸出電壓的使用,推薦采用更大的自舉電容器。

該器件無準許快速啟動的內部軟啟動，但是也會萌生大的浪涌電流。因此，對于需要降低浪涌電流的使用，該器件有限制DC/DC轉換調節器啟動時浪涌電流的電路。浪涌電流限制電路可作為軟啟動。外部的SS引腳用來調節軟啟動的特殊使用。電流ISS影響外部軟啟動電容器CSS，軟啟動時間計算為：

該器件的封閉引腳可以用1.8V或者更高的邏輯信號進行控制。如果不使用引腳的封閉功能，則應斷開該引腳。封閉引腳的最大電壓為7.5V。如果由于系統或者其他方面的限制，封閉引腳需要使用更高的電壓，則推薦在使用電壓引腳和封閉引腳之間接一只100kΩ或者更大阻值的電阻器來保護該功能。

4.2需留意的問題

該器件有兩個獨立的接地引腳，pGND用于驅動器和升壓式NMOS電源裝置，AGND可靈巧模擬控制電路。AGND和pGND引腳應當筆直連在一起。反饋和補償網絡應當筆直連接到一個專門模擬地層，這個模擬地層非得連接至AGND引腳。如果沒有模擬地層，反饋和補償網絡非得筆直連接至AGND引腳。而將這些網絡連接到pGND引腳會給系統增加噪聲。輸入旁路電容器CIN非得盡量靠近該器件放置，如圖3所示。這有助予減少影響輸入電壓波紋的銅線阻抗。為了濾除額外輸入電壓，應將一只0.1μF~4.7μF的旁路電容器與CIN并聯，盡量靠近VIN引腳，以抑制任何高頻噪聲。輸出電容器COUT1和COUT2也應當靠近LM2717放置。對輸出電容器COUTX的銅線連接能夠增加連續阻抗，筆直影響輸出電壓波紋。反饋網絡的電阻器RFB1和RFB2應當盡量靠近FB引腳放置，遠離電感，使增加系統噪聲的銅線連接最短。電感和肖特基二極管的布線應當最短，以減少電源損耗并提高總體效率。

5結束語

輸出電壓可調節的電源分配結構可以為系統的特殊使用集成電路及數字信號解決器提供穩壓電源。美國國家半導體公司這款全新的雙通道降壓型DC/DC變換器不但具有高度的靈活性，而且性能卓越，是負載點結構采用的理想處理方案。

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