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AOZ1021是一个降压调节器

时间:2019-9-12, 来源:互联网, 文章类别:元器件知识库

一般说明

AOZ1021是一款同步高效、简单的使用,3降压调节器。AOZ1021工作于4.5V至16V输入电压范围,提供高达3A的电压具有输出电压的连续输出电流可调低至0.8V。AOZ1021采用SO-8包装,额定值为超过-40°C至+85°C的环境温度范围。

特征:(1)、4.5V至16V工作输入电压范围;(2)、同步整流:100MΩ内部高压侧。

开关和20MΩ内部低压侧开关:(1)、高效:高达95%;(2)、内部软启动;(3)、1.5%初始输出精度。

输出电压可调至0.8V:(1)、3A连续输出电流。

固定500kHz脉冲宽度调制操作:(1)、逐周电流限制。

预偏压启动:(1)、短路保护;(2)、热关机;(3)、小型SO-8包装。

应用:(1)、负载点DC/DC转换;(2)、PCIE图形卡;(3)、机顶盒;(4)、DVD驱动器和硬盘驱动器;(5)、LCD面板;(6)、电缆调制解调器;(7)、电信/网络/数据通信设备。

详细说明

AOZ1021是一个电流模式的降压调节器,带有集成的高压侧PMOS开关和低压侧NMOS开关。它在4.5V到16V的输入电压范围内工作,并提供高达3A的负载电流。占空比可以从6%调整到100%,允许宽的输出电压范围。功能包括使能控制、上电复位、输入欠压闭锁、输出过电压保护、有功大功率良好状态、固定内部软启动和热关机。

启用和软启动

AOZ1021具有内部软启动功能,以限制冲击电流,并确保输出电压平稳上升到调节电压。当输入电压上升到4.1V且en引脚上的电压高时,软启动过程开始。在软启动过程中,输出电压通常在4ms内逐渐变为调节电压,4ms软启动时间在内部设定。

AOZ1021的EN引脚处于高激活状态。如果不使用,则在此针脚和车辆识别号之间连接10KΩ电阻器。将EN接地将禁用AOZ1021。不要让它开着。EN引脚上的电压必须高于2V才能启用AOZ1021。当EN引脚上的电压低于0.6V时,AOZ1021被禁用。如果应用电路要求禁用AOZ1021,则应使用开路漏极或开路集电极电路连接至EN引脚。

稳态运行

在稳态条件下,变换器以固定频率和连续导通模式(ccm)工作。

aoz1021集成了一个内部p-mosfet作为高压侧开关。电感电流是通过放大漏极到高压侧功率mosfet源极的压降来检测的。输出电压由FB引脚处的外部分压器降低。通过内部跨导误差放大器放大FB管脚电压与参考电压的差。将显示在comp管脚上的误差电压与pwm比较器输入处的电流信号(即电感电流信号和斜坡补偿信号之和)进行比较。如果电流信号小于错误电压,则内部高压侧开关接通。电感电流从输入通过电感流向输出。当电流信号超过错误电压时,高压侧开关断开。电感电流通过内部低边n-mosfet开关自由转动以输出。内部自适应FET驱动器保证高侧和低侧开关都没有打开重叠。与采用自由旋转肖特基二极管的稳压器相比,aoz1021采用自由旋转nmosfet实现同步整流。它大大提高了变换器的效率,降低了低压侧开关管的功率损耗。

aoz1021使用p沟道mosfet作为高压侧开关。它节省了通常在使用nmos开关的电路中看到的引导电容。允许高侧开关100%开启,实现线性调节运行方式。从v到v的最小电压降是mosfet的负载电流x直流电阻+buck电感的直流电阻。可通过以下公式计算:


哪里;vou max是最大输出电压;vin是4.5v到16v之间的输入电压;IO是从0A到3A的输出电流,并且rds(on)是内部mosfet的导通电阻,根据输入电压和结温的不同,该值介于97mΩ和200mΩ之间。

开关频率

AOZ1021开关频率是固定的,由内部振荡器设置。由于器件的变化,实际开关频率可以从350khz到600khz。

输出电压编程

输出电压可以通过使用电阻分压网络将输出反馈给FB引脚来设置。参见图1所示的应用电路。电阻分压器网络包括R和R。通常,设计是通过选取一个固定的R值并用以下公式计算所需的R开始的:

保护特性

AOZ1021具有多重保护功能,可防止在异常情况下损坏系统电路。

过电流保护(OCP)

感应电感电流信号也用于过电流保护。由于aoz1021采用峰值电流模式控制,因此comp引脚电压与峰值电感电流成正比。comp pin电压内部限制在0.4v和2.5v之间。电感的峰值电流是自动限制周期。

当输出在故障条件下对地短路时,由于V=0V,电感电流在开关周期内衰减非常慢。为了防止灾难性故障,在AOZ1021内部设计了二次电流限制。将测量的电感电流与代表电流限值的预设电压进行比较,该电压介于3.5A和5.0A之间。当输出电流大于电流限值时,高压侧开关将关闭。一旦过流情况得到解决,转换器将启动软启动。

上电复位(POR)

上电复位电路监测输入电压。当输入电压超过4.1V时,变频器开始工作。当输入电压低于3.7V时,转换器关闭。

热保护

内部温度传感器监测接头温度。当结温超过150°C时,关闭内部控制电路和高压侧PMOS。当结温降至100°C时,调节器将在软启动电路的控制下自动重启。

应用程序信息

基本的AOZ1021应用电路如图1所示。部件选择说明如下。

输入电容器

输入电容器必须连接到AOZ1021的V引脚和PGND引脚,以保持稳定的输入电压并过滤掉脉冲输入电流。输入电容器的额定电压必须大于最大输入电压加纹波电压。在输入纹波电压可由下式近似:

由于buck变换器的输入电流是不连续的,因此在选择电容器时,输入电容器上的电流应力是另一个需要考虑的问题。对于降压电路,输入电容电流的均方根值可通过以下公式计算:

如果我们让m等于转换比:

输入电容器均方根电流和电压转换率之间的关系如下图2所示。可以看出,当v为v的一半时,c的电流应力最大。c上最坏的电流应力为0.5x i。

为了可靠运行和最佳性能,输入电容器必须在最坏的工作条件下具有高于I的额定电流。陶瓷电容器是首选的输入电容器,因为它们的低esr和高电流额定值。根据应用电路的不同,也可以使用其他低ESR钽电容器。选择陶瓷电容器时,应采用X5R或X7R型介质陶瓷电容器,以获得更好的温度和电压特性。注意,电容器制造商的纹波电流额定值基于一定的使用寿命。实际设计中可能需要进一步降低额定值。

电感器

电感器是用来提供恒定的电流输出时,它是由一个开关电压驱动。对于给定的输入和输出电压,电感和开关频率共同决定了电感纹波电流,即:

电感电流峰值为:

高电感提供低电感纹波电流,但需要较大尺寸的电感以避免饱和。低纹波电流降低电感铁心损耗。它还降低了通过电感和开关的均方根电流,从而减少了传导损耗。通常,电感上的峰间纹波电流设计为输出电流的20%到30%。

选择电感器时,确保即使在最高工作温度下也能处理峰值电流而不饱和。电感接受降压电路中的最高电流。电感上的传导损耗需要检查是否符合热效率要求。coilcraft、elytone和murata提供不同形状和样式的表面贴装感应器。屏蔽电感体积小,辐射电磁干扰小。但它们的价格比无屏蔽电感器还高。选择取决于电磁干扰要求、价格和尺寸。

输出电容器

根据直流输出电压额定值、输出纹波电压规格和纹波电流额定值选择输出电容器。所选输出电容器的额定电压规格必须高于最大期望输出电压(包括纹波)。长期可靠性需要考虑降级。输出纹波电压规格是选择输出电容器的另一个重要因素。在buck变换器电路中,输出纹波电压由电感值、开关频率、输出电容值和esr决定。可通过以下公式计算:

哪里:co是输出电容值,并且esrco是输出电容器的等效串联电阻。

当采用低esr陶瓷电容器作为输出电容器时,电容器在开关频率下的阻抗占主导地位。输出纹波主要由电容值和电感纹波电流引起。输出纹波电压计算可简化为:

当开关频率的esr阻抗占主导地位时,输出纹波电压主要由电容esr和电感纹波电流决定。输出纹波电压计算可进一步简化为:

为了降低整个工作温度范围内的输出纹波电压,建议使用X5R或X7R介质型陶瓷或其他低ESR钽作为输出电容器。

在buck变换器中,输出电容电流是连续的。输出电容器的均方根电流由电感的峰间纹波电流决定。计算方法如下:

通常,由于低电流应力,输出电容器的纹波电流额定值是一个较小的问题。当降压电感选择很小,电感纹波电流较大时,输出电容会产生过应力。

回路补偿

AOZ1021采用峰值电流模式控制,使用方便,瞬态响应快。峰值电流模式控制消除了输出L&C滤波器的双极效应。大大简化了补偿回路的设计。

采用峰值电流模式控制,buck功率级在频域上可以简化为一极一零系统。极点是主导极点,可通过以下公式计算:

由于输出电容及其esr,零点是esr零点。其计算方法如下:

哪里;co是输出滤波电容器,rl是负载电阻值,并且esrco是输出电容器的等效串联电阻。

补偿设计实际上是通过改变变换器控制回路的传递函数来获得期望的增益和相位。AOZ1021可以使用几种不同类型的补偿网络。在大多数情况下,连接到comp管脚的串联电容和电阻网络设置极零点,足以实现稳定的高带宽控制回路。

在AOZ1021中,FB引脚和COMP引脚是内部误差放大器的逆变输入和输出。连接到COMP的串联R和C补偿网络提供一极和一零。极点是:

哪里:gea是误差放大器跨导,为200×10-6A/V,gvea是误差放大器电压;以及C2是图1中的补偿电容器。

外部补偿网络电容器C和电阻器R给出的零点位于:

为了设计补偿电路,必须选择目标交叉频率f作为闭环。系统交叉频率是控制回路具有单位增益的地方。交叉也被称为转换器带宽。通常,较高的带宽意味着对负载瞬态的更快响应。但是,考虑到系统的稳定性,带宽不应该太高。在设计补偿回路时,必须考虑变换器在所有线路和负载条件下的稳定性。通常,建议将带宽设置为等于或小于开关频率的1/10。AOZ1021在350kHz到600kHz的频率范围内工作。建议选择小于或等于40kHz的交叉频率。

选择r和c的策略是用r设置交叉频率,用c设置补偿器零。用选择的交叉频率f计算r:

哪里:其中fc是期望的交叉频率。为了获得最佳性能,将fc设置为开关频率的1/10左右,VFB为0.8V,gea是误差放大器跨导,为200×10-6a/v,和gcs是电流检测电路的跨导,为6.68a/v。

补偿电容器C和电阻R一起构成零。这个零点放在靠近主极点f的地方,但低于所选交叉频率的1/5。C可以通过以下方式选择:

上述方程可简化为:

热管理和布局考虑

在AOZ1021降压调节器电路中,高脉冲电流流过两个电路回路。第一个回路从输入电容、V引脚、LX引脚、滤波电感、输出电容和负载开始,然后通过接地返回输入电容。当高压侧开关接通时,电流在第一个回路中流动。第二个回路从电感开始,到输出电容器和负载,再到低端nmosfet。当低压侧nmosfet打开时,电流在第二个回路中流动。在pcb版图中,最小化两个回路的面积可以降低电路的噪声,提高效率。强烈建议使用接地板连接AOZ1021的输入电容器、输出电容器和PGND引脚。

在AOZ1021降压稳压器电路中,主要的功耗元件是AOZ1021和输出电感。变换器电路的总功耗可以用输入功率减去输出功率来测量。

电感的功率损耗可以通过电感的输出电流和DCR近似计算。

电感的功率损耗可以通过电感的输出电流和DCR近似计算。

AOZ1021的最高结温为150°C,限制了最大负载电流能力。不同环境温度下AOZ1021最大负载电流见热降容曲线。

aoz1021的热性能受pcb版图的影响很大。在设计过程中,用户应格外小心,以确保集成电路在推荐的环境条件下工作。

1、不要使用V和PGND引脚的散热连接。将最大的铜区域倒入PGND引脚和车辆识别码引脚,以帮助散热。

2、输入电容器应尽可能靠近V引脚和PGND引脚。

3、建议使用地平面。如果不使用接地平面,则将pgnd与agnd分开,并仅在一个点连接它们,以避免pgnd引脚噪声耦合到agnd引脚。

4、使从lx引脚到l到c到pgnd的电流轨迹尽可能短。

5、在所有未使用的电路板区域浇注铜平面,并将其连接到稳定的直流节点,如V、GND或V。

6、lx引脚连接到内部pfet漏极。它们是一种低电阻的热传导路径和噪声最大的开关节点。将铜平面连接到LX引脚,以帮助散热。这个铜平面不应该太大,否则开关噪声可能会耦合到电路的其他部分。

7、将敏感信号记录道远离LX管脚。


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