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BUCK芯片更卓越之路——LDO模式新優(yōu)化，適應(yīng)更寬范圍輸入電壓
時間:2024-07-12
來源: 芯洲科技
降壓電路能夠有效的將較高的直流輸入轉(zhuǎn)換為較低的直流輸出，提供穩(wěn)定的電流和電壓輸出。BUCK芯片、LDO作為兩種廣泛應(yīng)用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因其不同特性在不同供電系統(tǒng)中各司其職。
BUCK芯片因其高轉(zhuǎn)換效率成為工程師們的首選，尤其在輸出較大電流時；LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）可以支持更小壓差的降壓轉(zhuǎn)換，且輸出電壓更穩(wěn)定，但無法支持較大負(fù)載場景。
一、BUCK電路的挑戰(zhàn)
隨著各個領(lǐng)域衍生出的智能產(chǎn)品層出不窮，電源系統(tǒng)也在逐漸進化，電源芯片發(fā)展出了更寬的工作輸入電壓。
對于既定的輸出電壓，當(dāng)輸入電壓上限提高時，選擇更高耐壓等級的DCDC可以解決；當(dāng)輸入電壓的下限要求更低時，BUCK電路受限于拓?fù)湎拗?，需要關(guān)閉上管MOS開通下管MOS給BOOT電容充電，進而維持上管開通所需的Vgs電壓。
因存在Mini_off時間從而引出了最大占空比問題，從下列公示可以清晰的看出Toff越大，D越小，Vout越?。杭?strong>最大占空比影響著芯片的最大輸出電壓
在此限制下BUCK電路進行低壓差降壓轉(zhuǎn)換時，會出現(xiàn)輸出電壓壓降過大甚至動態(tài)響應(yīng)變差、輸出紋波大的問題。此時想到LDO——針對低壓差應(yīng)用而生的降壓芯片，如果把LDO的優(yōu)勢融入到BUCK芯片中，盡可能擴大BUCK電路的最大占空比，無疑是一個很好的解決方案。
二、LDO模式嶄露頭角
在電池供電、USB供電等一些場景，需要輸入電壓最小工作值略高于輸出電壓高零點幾伏，此時受最大占空比限制，在輸入電壓的最低點，輸出電壓將無法維持設(shè)定值。
芯洲科技針對這一需求，開發(fā)了極限占空比控制技術(shù)，可以支持接近100%占空比工作模式。在這種模式下，芯片通過自適應(yīng)降低工作頻率，減小上管Mini_off時間在一個開關(guān)周期內(nèi)的占比，進而提高了最大占空比。這種Low Drop-out Operation即LDO模式，有效解決了需要進行低壓差轉(zhuǎn)換的應(yīng)用需求。下圖1即為芯洲SCT2450Q的LDO模式表現(xiàn)：
圖1 SCT2450Q在設(shè)定輸出5V時的LDO模式表現(xiàn)
當(dāng)SCT2450Q設(shè)定5V輸出電壓，空載工作波形如圖2，輸入5V可以維持5V穩(wěn)定輸出，工作頻率降低到1.6kHz，此時輸出紋波132mV；隨著負(fù)載增大到5A，輸入電壓5V不變時如圖3，工作頻率降低到1kHz以下輸出電壓4.4V，此時輸出紋波960mV。
圖2 Vin=5V Vout=5V Fsw=1.639kkHz Vo_pp=132mV 
圖3 Vin=5V Vout=4.4V Fsw=735Hz Vo_pp=960mV
從上述測試可以看出，LDO模式下開關(guān)頻率被壓榨到1kHz以盡可能增大占空比，空載時可以達(dá)到100%，實際測試發(fā)現(xiàn)了新的問題：電感嘯叫，這一點從SW的頻率上也能發(fā)現(xiàn)。在輸入電壓更低時，開關(guān)頻率落入20kHz以下的人耳可聽的頻率范圍，引發(fā)電感嘯叫。因此我們需要給上管MOS提供足夠的開啟電壓，避免上管的關(guān)斷產(chǎn)生的SW低頻開關(guān)。最簡單有效的辦法就是增加一路隔離5V給BOOT-SW供電，保證上管驅(qū)動電壓維持在5V從而支持上管常開，此時BUCK芯片工作在直通模式。
但是增加一路額外的隔離電源會增加很大的板面積以及成本，如果利用定時器產(chǎn)生方波，或者板上有二級BUCK工作在CCM模式或輕載FPWM模式，提供通過二極管和電容產(chǎn)生倍壓電路給到BOOT-SW從而保證BOOT電壓。
圖4 Vin=5.6V Vout=4.95V Iout=5A Vo_pp=900mV
圖5 Vin=5V Iout=0A-5A-0A Vo_pp=1.9V
我們用定時器搭建對BOOT-SW維持5V供電的電路進行測試，由于低壓差時芯片直接工作在直通模式，空載和帶載只有6mV的輸出紋波，但是直通模式下由于沒有環(huán)路調(diào)節(jié)，如圖4臨界狀態(tài)的輸出紋波有900mV，圖5所示的直通模式下動態(tài)響應(yīng)紋波高達(dá)1.9V。
三、新一代LDO模式升級
綜合，LDO模式解決了BUCK電路低壓差場景的工作問題，但當(dāng)輸入電壓進一步降低時仍然存在問題；而通過增加外圍電路方式雖然可以解決，但同時增加了額外的板面積以及成本。
芯洲開發(fā)第二代BUCK芯片的LDO工作模式，在實現(xiàn)降頻工作的基礎(chǔ)上，同時限制最低工作頻率，避開人耳可聽噪聲頻段，從芯片自身層面解決實際應(yīng)用中帶來的困擾。芯洲40V家族產(chǎn)品SCT2434Q(3A/3.5A), SCT2464Q(6A),60V家族產(chǎn)品SCT2632B (3A), SCT2630B(3.5A)等均加入了針對性優(yōu)化的第二代LDO工作模式，下面我們以SCT2464Q為例，看看新一代LDO模式實際表現(xiàn)。
圖6 Vin=5V Vout=4.9V Fsw=96kHz Vo_pp=12mV
圖7 Vin=5V Vout=4.6V Fsw=96kHz Vo_pp=15mV
同樣設(shè)定SCT2464Q的輸出電壓為5V，在輸入電壓5V的情況下，輸出空載時如下圖6工作頻率96kHz，輸出紋波12mV；帶載5A時如下圖7工作頻率96kHz，輸出紋波15mV。
同樣使負(fù)載從0A~5A~0A切換，從下圖8可以看到動態(tài)響應(yīng)能力也明顯提升，動態(tài)響應(yīng)紋波只有1V。
圖8 Vin=5V Io=0-5-0A時的動態(tài)響應(yīng)
找到輸入電壓在大于5V的臨界點，增大輸入電壓讓芯片由LDO模式進入BUCK模式，再減小輸入電壓使其回到LDO模式，從圖9可以看到在整個變化過程中，輸出一直維持穩(wěn)定狀態(tài)，最大輸出紋波也僅僅只有40mV。
圖9 Io=5A時 LDO-BUCK-LDO臨界模式切換
我們把第一代LDO模式，第一代LDO+外部BOOT電壓模式，第二代LDO模式的各項測試數(shù)據(jù)做成如下對比表格，可以更全面、直觀的看到細(xì)節(jié)上的技術(shù)升級給實際應(yīng)用帶來的性能提升。
此外，除了常規(guī)的buck應(yīng)用外，這種直通模式應(yīng)用還可以作為efuse功能，當(dāng)做短路和過流保護器件。
芯洲科技堅持對電源產(chǎn)品開發(fā)的極致追求 不斷迭代對占空比控制、EMI優(yōu)化、音頻干擾抑制等一系列技術(shù)方案
持續(xù)為客戶創(chuàng)造更大價值提供更好的服務(wù)。
