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ADP2118电流模式DC-DC稳压器的工作原理分析

2025/9/4 15:38:08
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ADP2118是一款电流模式DC-DC稳压器,采用固定频率峰值电流模式架构,集成了高端和低端同步MOSFET。4mm×4mm LFCSP封装具有低至16mΩ的导通电阻,可实现小型解决方案尺寸。集成的同步整流器(N沟道MOSFET)在中等至重负载下效率极高,在轻负载时也能保持高效率。ADP2118的输入电压范围为2.3V至5.5V,并可将输出电压调节至0.6V。ADP2118还提供1.2V、1.5V、1.8V和3.3V等固定输出电压选项。

控制方案

ADP2118采用固定频率峰值电流模式PWM控制架构,在中等至重负载时工作于PWM模式以保持高效率。轻负载时,器件可切换至PFM模式。在固定频率PWM模式下,通过调节功率开关的占空比来调节输出电压。在PFM模式下,轻负载时开关频率会被调节以调节输出电压。

当负载电流大于PFM模式跳变阈值电流时,ADP2118工作于PWM模式。当负载电流减小到低于该阈值电流时,稳压器会平滑过渡到PFM模式工作。

PWM模式工作

在PWM模式下,ADP2118以通过FREQ引脚设置的固定频率工作。在每个振荡器周期开始时,P沟道MOSFET导通,向电感器施加输入电压,直到电感器电流达到由V控制的峰值电平。当P沟道MOSFET关断时,N沟道同步整流器导通,使电感器电流开始下降。电感器电流的下降会在同步整流器两端产生负电压。在周期的剩余时间内,直到电感器电流达到零,这会导致过零比较器也关断N沟道MOSFET。电感器电流被误差放大器检测,该误差放大器将V与0.6V内部基准进行比较。

PFM模式工作

当使能PFM模式时,当负载电流降至PFM脉冲跳跃阈值电流以下时,ADP2118会平滑过渡到可变频率PFM脉冲跳跃工作模式,仅在维持输出电压所需时进行开关。当输出电压降至调节阈值以下时,ADP2118会进入PWM模式几个振荡器周期,以增加输出电压回到调节值。

斜坡补偿

斜坡补偿用于在占空比接近50%时稳定ADP2118的内部电流控制环路,防止次谐波振荡。它通过在高端MOSFET导通期间将人工电压斜坡信号与电流检测信号相加来实现。所需的斜坡补偿量取决于输出电压。在高输出电压下,可用于防止次谐波振荡的电感电流斜坡值决定了最小电感。

使能/关断

EN引脚是一个精密模拟输入,用于使能器件。当引脚上的电压超过1.2V(典型值)且具有100mV迟滞时,器件开启。当电压降至1.1V(典型值)以下时,器件关断。要使ADP2118在施加输入电源时自动启动,请将EN连接到VIN。当ADP2118关断时,软启动电容器放电。当器件重新使能时,这会启动新的软启动周期。内部下拉电阻(1MΩ)可防止EN引脚悬空时意外使能器件。

集成软启动

ADP2118集成了软启动电路,以限制输出电压上升时间并减小启动时的浪涌电流。软启动时间固定为208个时钟周期。如果在开启前输出电压已预充电,ADP2118会防止反向电感电流(否则会通过同步整流器放电输出电容器),直到软启动电压超过电容器上的电压(V)。

跟踪

ADP2118具有跟踪输入TRK,允许输出电压跟踪另一个电压(主电压)。它在FPGA、DSP和ASIC的内核和I/O电压跟踪中特别有用。内部误差放大器包含三个正输入:内部基准电压、软启动电压和TRK电压。误差放大器将FB电压调节为三个电压中的最低值。为了跟踪主电压,即TRK引脚通过电阻分压器连接到主电压。如果不使用TRK功能,将TRK引脚连接到VIN。

振荡器与同步

ADP2118的振荡器可设置为600 kHz或1.2 MHz。驱动FREQ引脚为低电平可选择600 kHz,驱动FREQ引脚为高电平可选择1.2 MHz。要同步ADP2118,需在SYNC/MODE引脚施加外部时钟。外部时钟频率范围为600 kHz至1.4 MHz。同步期间,稳压器仅工作在连续导通模式(CCM)。若存在外部时钟,开关频率与外部时钟同相;若FREQ引脚为低电平,开关频率为180°相位;若FREQ引脚为高电平,开关频率与外部时钟同相。

过流保护

ADP2118具有峰值电流限制保护电路,可防止电感器电流过大。峰值电流限制值为5.2 A。当电感器峰值电流达到电流限制值时,高侧MOSFET关断,低侧MOSFET导通。直到电流降至低于电流限制值,低侧MOSFET才会关断。若电流在10个时钟周期内持续超过限制值,器件将关断高侧FET和低侧FET。器件将保持此模式4096个时钟周期,然后尝试从软启动重新启动。若电流限制故障已清除,器件恢复正常工作;否则,经过10个时钟周期后再次进入打嗝模式。

过压保护(OVP)

输出电压通过比较器进行连续监测,该比较器在正常工作时将FB引脚设置为0.6 V(典型值)。当FB引脚上的电压超过标称值0.6 V的6%(典型值)时,表明输出过压,此时过压比较器将高侧MOSFET关断。若在16个时钟周期内,低侧MOSFET的电流达到限制值(强制连续模式下约为0.9 A,PFM模式下为0 A),器件将进入打嗝模式。

欠压锁定(UVLO)

欠压锁定电路集成在ADP2118中。输入电压降至2.1 V以下时,ADP2118关断,功率开关和同步整流器均关闭。当输入电压再次升至2.2 V以上时,启动软启动周期,器件使能。

热关断

若ADP2118的结温升至140°C以上,热关断电路将关闭稳压器。结温过高可能是由过大的工作电流、不良的电路板设计或过高的环境温度导致。电路包含45°C的迟滞,因此热关断发生后,器件不会恢复工作,直到芯片温度降至125°C以下。当欠压锁定条件解除时,启动软启动。

电源良好

PGOOD是高电平有效、开漏输出,需要外接上拉电阻至某一电压。高电平表示FB引脚上的电压在期望电压值的±10%范围内;低电平表示FB引脚上的电压超出±10%范围。若FB引脚在16个时钟周期内未恢复至±10%范围内,PGOOD电路将忽略该情况。若FB引脚恢复至±10%范围内,则该情况被忽略。

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