基于HIP6004E的降壓型DC/DC變換器的設計

1??? 引言

??? HIP6004E是降壓型同步整流PWM控制器和輸出電壓監控器，它在一個很小的封裝（SOIC-20或TSSOP-20）內集成了PWM控制，輸出電壓調節，電壓監視和過壓、過流保護等功能，可在DC 1.050～1.825V范圍內，以25mV的增量精確調節輸出電壓。另外，它還具有軟啟動，工作頻率寬范圍可調，遙控開關機，快速的動態響應，輸出功率大，電壓穩定度好等特點。這些優點使HIP6004E可以廣泛應用于高性能微處理器供電（如Pentium Ⅲ和其它微處理器）和高功率DC/DC變換器及低電壓分布式供電系統中。

2??? HIP6004E引腳功能和工作原理

2.1??? 引腳功能

??? HIP6004E引腳排列如圖1所示。

圖1??? 引腳排列

??? 各引腳功能如下：

??? 腳1（VSEN）??? 電壓檢測腳，連接到變換器的輸出電壓端，PGOOD和OVP信號，利用該信號來檢測輸出電壓的狀態和進行過壓保護；

??? 腳2（OCSET）??? 過流設定腳，用來設定過流保護值；

??? 腳3（SS）??? soft start，從該腳連接一個電容到地，設定變換器的軟啟動間隔時間，也可用來作為變換器的使能端，開啟/關閉變換器；

??? 腳4－腳8（VID25mV，VID0－VID3）??? 5位DAC的輸入腳，通過這5個腳可對內部電壓參考（DACOUT）進行編程，而DACOUT的輸出用來設定變換器的輸出電壓，同時也用來設定PGOOD和OVP的門檻電壓；

??? 腳9（COMP）??? 內部誤差放大器的輸出，用來補償變換器的電壓反饋信號；

??? 腳10（FB）??? 內部誤差放大器的反相輸入，用來補償變換器的電壓反饋信號；

??? 腳11（GND）??? 信號地；

??? 腳12（PGOOD）??? 電源好信號，OC門輸出，用來指示變換器輸出電壓的狀態；當輸出電壓超出DACOUT參考電壓的±10％范圍時，該信號變低，說明電壓不正常；

??? 腳13（PHASE）??? 將其連到上端MOSFET的源極，用來監視MOSFET的電壓降，從而實現過流保護，同時，它也是上端MOSFET門極驅動的返回路徑；

??? 腳14（UGATE）??? 將其連到上端MOSFET的門極，提供門極驅動信號；

??? 腳15（BOOT）??? 提供上端MOSFET的偏置電壓；

??? 腳16（PGND）??? 功率地，將下端MOSFET的源極接該腳；

??? 腳17（LGATE）??? 將其連到下端MOSFET的門極，提供門極驅動信號；

??? 腳18（VCC）??? 芯片工作電壓輸入；

??? 腳19（OVP）??? 過壓輸出信號；

??? 腳20（RT）??? 用來設置振蕩器的開關頻率。

2.2??? 工作原理

??? HIP6004E內部框圖如圖2所示。它由數模轉換器，電壓參考，誤差放大器，振蕩器，PWM比較器，軟啟動電路，過壓、過流保護電路，門極控制邏輯電路，上電復位電路等部分組成。

圖2??? HIP6004E內部框圖

??? 上電后，HIP6004E自動進行初始化，無需特殊的加電順序。POWER-ON（POR）實時監測芯片工作電壓（V_cc）和變換器的輸入電壓（V_in），當兩種電壓都超過設定門檻值時，開始進行軟啟動過程。芯片內部的10μA電流源對接在腳3（SS）的軟啟動電容進行充電，腳3電壓緩慢上升，并將誤差放大器的輸出電壓（COMP）和參考電壓（同相端輸入）都鉗位為腳3電壓。當腳3電壓上升到一定幅度時，與振蕩器產生的三角波進行比較，產生PHASE脈沖對輸出電容進行充電。當輸出電壓達到一定幅值后，參考電壓開始控制輸出電壓。當腳3電壓超過DACOUT電壓后，輸出電壓進入調節過程。這種軟啟動方法使輸出電壓快速地，可控地上升。軟啟動過程結束后，進入正常運行狀態，產生PWM波使上下端兩個MOSFET交替導通，并通過電壓反饋電路來維持輸出電壓的穩定。

3??? DC/DC變換器的設計

??? 基于HIP6004E的典型DC/DC變換器電路如圖3所示，以下詳細介紹設計過程。

圖3??? 典型DC/DC變換器電路

3.1??? 開關頻率設置

??? HIP6004E的開關頻率在50kHz～1MHz內可調節，自由振蕩頻率為200kHz。在實際應用中，調節開關頻率主要是考慮，高開關頻率可以使用較小容量的輸出濾波電感和電容。

??? 當腳20（RT）對地接一個電阻時，開關頻率將增大，開關頻率由式（1）決定。

??? f_s=200kHz＋??? （1）

??? 當腳20對腳18（VCC）接一個電阻時，開關頻率將減小，開關頻率由式（2）決定。

??? f_s=200kHz－??? （2）

3.2??? 輸出電壓編程

??? HIP6004E變換器的輸出電壓可在DC1.050～1.825V范圍內精確調節，變化幅度每檔為25mV。通過5個VID管腳對內部的DAC進行編程，可對輸出電壓進行精確的控制。編程表如表1所示。當管腳與地相連時編碼為0；通過上拉電阻與VCC相連或懸空時編碼為1。也可接受5位TTL電平信號進行編程。

表1??? 輸出電壓編程表

3.3??? 元器件的選擇和參數計算

3.3.1??? 輸出電容

??? 輸出電容用來對輸出進行濾波并提供負載瞬時電流。現代微處理器經常產生超過1A/ns的瞬態電流上升率，為了防止負載急劇變化時產生過大的上沖和下沖電壓，在輸出端經常需要并聯大容量的濾波電容。實際上，濾波電容并不是容量越大越有作用，更主要的是取決于ESR（等效串聯阻抗）的大小。ESR值越小，濾波效果越好，所以，必須選用低ESR值的鋁電解電容或鉭電容。在大多數應用場合中，多個小容量的電容并聯比單個大容量的電容濾波效果要好。

3.3.2??? 輸出電感

??? 輸出電感的功能是滿足輸出電壓紋波要求。電感的大小決定了紋波電流，而紋波電壓又取決于紋波電流。紋波電流和紋波電壓可近似由式（3），式（4）表示。

??? 紋波電流ΔI=×??? （3）

??? 紋波電壓ΔV_out=ΔI×ESR??? （4）

??? 從式（3）—（4）可看出，增大電感，將減小紋波電流和紋波電壓；反之，則增大紋波電流和紋波電壓。為了獲得相同的紋波電壓，增大電感，可以減少輸出電容的數量。但是，增大電感后將降低對負載瞬態電流的響應，所以，輸出電感和輸出電容的選擇是相輔相成的，需在兩者之間取一個折衷值，實際應用中可根據輸出電壓紋波要求和動態性能要求來確定電感和電容值。

3.3.3??? MOSFET

??? HIP6004E變換器需要兩個N溝道的MOSFET。MOSFET的選擇由R_DS（on），門極驅動電壓，輸出電流，散熱條件等因素確定。在大電流應用中，MOSFET的耗散功率，封裝形式和散熱器是主要考慮的目標。根據耗散功率，熱阻等可計算出MOSFET的工作溫升，要確保在最高環境溫度工作時，MOSFET不超過最大允許的結溫。

??? 兩個MOSFET的耗散功率分別由式（5）和式（6）確定。

??? P_上=I_o²×R_DS(on)×D＋×I_o×V_in×t_sw×f_s??? （5）

??? P_下=I_o²×R_DS(on)×(1－D)??? （6）

式中：D=V_out/V_in（工作周期）；

????? t_sw為導通時間；

????? f_s為開關頻率。

??? 一般選擇耐壓為30V的MOSFET，電流根據負載要求而定，推薦使用IR或Intersil生產的MOSFET。

3.3.4??? 二極管

??? 二極管的作用是鉗位，即在下端MOSFET已關斷，上端MOSFET還未導通的時間內產生的負電壓。必須選用快速的肖特基二極管以防止MOSFET本身的體二極管的導通，如果直接利用MOSFET本身的體二極管來鉗位負電壓，則變換器效率將降低1～2個百分點。推薦使用3A，40V的肖特基二極管如Motorola的MBR340。

3.4??? 電壓反饋補償電路設計

??? 電壓反饋補償電路的設計是整個變換器設計中最重要的環節，其參數的設置直接影響系統的穩定性和動態響應時間。電壓反饋補償電路如圖4所示。

圖4??? 電壓反饋補償電路

??? 反饋補償電路由內部誤差放大器，Z_IN阻抗網絡，Z_FB阻抗網絡組成。

??? 以下詳細介紹電阻，電容參數的計算方法。

??? 1）選擇R₁的阻值，通常在2kΩ到5kΩ之間，一般定為3.3kΩ。

??? 2）計算R₂的阻值

??? R₂=××R_1??? （7）

式中：DBW是希望的帶寬，一般為變換器開關頻率的20％～30％；

??????????? ΔV_OSC為HIP6004E的斜坡幅值（1.9V）；

????? V_in為輸入電壓；

????? f_LC=，L_o為輸出濾波電感值，C_o為輸出濾波電容值。

??? 3）計算C₂的值

??? C₂=??? （8）

??? 4）計算C₁的值

??? C₁=??? （9）

式中：f_ESR=，ESR為輸出電容的等效串聯阻抗值，C_o為輸出濾波電容值。

??? 5）計算R₃的值

??? R₃=??? （10）

式中：f_SW是變換器開關頻率值。

??? 6）計算C₃的值

??? C₃=??? （11）

3.5??? 遙控開關機電路設計

??? 將腳3（SS）電壓拉低到1.2V以下即可關閉HIP6004E。可以通過圖5所示的簡單方法實現遙控開關機功能，當ENABLE信號開路時開機；當ENABLE信號接地時關機。

圖5??? 遙控開關機電路

3.6??? 過壓保護電路設計

??? HIP6004E提供了一個過壓輸出信號OVP（腳19），當輸出電壓超過設定電壓的15％時，該腳變為高電平，可用來驅動一個外部晶閘管，將輸入電壓強行短路，以關閉輸出電壓實現過壓保護。具體如圖6所示。

圖6??? 過壓保護電路

4??? 結語

??? 基于HIP6004E的降壓型DC/DC變換器具有結構簡單，效率高，動態響應快，輸出電壓可精確調節，保護功能齊全等優點，能很好地滿足一些高性能微處理器的供電要求。