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FW54610型低电压输入高电流输出PWM调制同步降压

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FW54610型低电压输入高电流输出PWM调制同步降压
DC-DC调整器
概述
    FW54610是一款3V-6V输入、6A输出的PWM调制同步降压DC-DC调整器,产品与TPS54610完全兼容,可直接替换使用。器件内含30mΩ、12A峰值电流的MOSFET开关管,可输出6A电流,输出电压在0.9V~3.3V可调,精确率可达到1%,脉宽频率既可以固定在350kHz或550kHz,也可以在280kHz~700kHz之间调整;器件内部还具有低压闭锁电路、限流保护电路和过热关断电路。其集成化的设计减少了外围元件数量和体积。产品采用28线HTSSOP带热沉(PowerPAD)封装,避免了使用大的散热片。产品广泛应用于需要低电压输入高电流输出的分散电源系统;点负载电源管理系统(如:DSPs、FPGAs、ASICs、微处理电源、宽带网络、光纤通讯、便携式笔记本电脑电源系统)。
原理图
特点
u  内部集成30mΩ、12A峰值电流的高效MOS开关管,可输出6A电流(输出或吸入)
u  输出纹波电压≤50mVPP;(VIN=5V,IO=5A)
u  输出电压在0.9V以上可调,精确率可达到1% 
u  脉宽调制频率宽:可固定在350kHz或550kHz,
也可以在280kHz到700kHz范围内调节                  
u  具有峰值电流限制的过流保护和热关断保护
u  集成化的设计减少了所使用的元件数量和体积
u  同步频率范围280kHz~700kHz
绝对最大额定值
    除另有规定外,下表所列参数均是常温指标。
符号
名称
引脚端
参数值
VI
输入电压
VIN、SS/ENA、SYNC
-0.3V~7V
RT
-0.3V~6V
VSENSE
-0.3V~4V
BOOT
-0.3V~17V
VO
输出电压
VBIAS、COMP、PWRGD
-0.3V~7V
PH
-0.6V~10V
PH(t<10ns)
-2V
IO
输出电流
PH
内部限制
COMP、VBIAS
6mA
IS
吸入电流
PH
12A
COMP
6mA
SS/ENA、PWRGD
10mA
 
电压差
AGND到PGND
±0.3V
TJ
工作结温
 
-55℃~150℃
Tstg
贮存温度
 
-65℃~150℃
注:参数超出表中所列的极限指标可能导致器件永久性损坏,表中所列仅仅是极限参数,并不意味着在极限条件下或在任何其他超出推荐工作条件所示参数情况下器件能有效工作。延长在极限参数条件下的工作时间会影响器件的可靠性。
推荐工作条件
名称
最小
标称
最大
单位
输入电压VI
3
--
6
V
工作温度范围TA
-55
--
125
主要电参数特性
参数名称
符号
条   件
除另有规定外,VIN=+5V
-55℃≤TA≤125℃
极限值
单位
最小
最大
输出纹波电压
Virp
fS=350kHz ,VL=3.3V
TA=25℃
--
50
mV
 
--
120
输出电压
VL
fS=350kHz,IL=0.5A
 
--
0.9
V
输出电流
IL
fS=350kHz,VL=3.3V
TA=25℃
6
--
A
电压调整率
SV
fS=350kHz,IL=0.5A
VIN=3V~6V
TA=25℃
--
0.04
%/V
 
--
0.12
负载调整率
SI
fS=350kHz,IL=0.5A~6A
TA=25℃
--
0.03
%/A
 
--
0.12
效率
η
VL=3.3V, fS=350kHz IL=1A
TA=25℃
80
--
%
 
70
--
输入电流(空载)
IQ
fS=350kHz,RT、PH开路
TA=25℃
--
0.025
A
 
--
0.060
开关频率
fs
VL=3.3V, IL=0.5A
 
280
700
kHz
同步频率范围
f
VL=3.3V, IL=0.5A
 
280
700
kHz
导通电阻
RDSON
VI=6V
 
--
47
注:输出功率MOS管低边导通电阻rDS(on)可在产品检验时测试,高边导通电阻则由设计保证。
引脚排列
   
   
名称
引脚号
AGND
1
模拟地,慢启动电容、VBIAS电容、RT电阻及SYNC、powerPAD与该引脚连接。
BOOT
5
自举电路输出。使用中与PH端连接0.02~0.1μF的电容
COMP
3
误差放大器输出,使用中与VSENSE之间应连接频率补偿电路
PGND
15~19
电源地。使用时与AGND单点连接。
PH
6~14
相输出,输出电感与功率MOSFET连接点
PWRGD
4
电源就绪输出,当VSENSE端电压高于基准电压90%时,输出高电平,否则为低电平。 当SS/ENA引脚为低电平或内部 有效时,该引脚始终为低电平
RT
28
频率设置电阻输入。在RT和AGND间连接一个电阻可以设置开关频率,当使用SYNC端时,通过RT设置的频率应稍低于外部振荡器的频率
SS/ENA
26
软启动/输入输出使能端。 可提供控制器允许工作逻辑,另一个功能是通过外接电容设置软启动时间
SYNC
27
同步输入。可提供外部振荡器同步逻辑信号,此时要求RT引脚必须连接一个电阻,在内部振荡时用于开关频率的切换。
VBIAS
25
内部偏压调节。 与AGND之间连接一个0.1μF~1μF的陶瓷电容。
VIN
20~24
电源输入。 与PGND之间连接10μF的陶瓷电容。
VSENSE
2
误差放大器反相输入,可通过补偿和分压网络与输出端相连。
典型工作特性曲线
典型应用线路
I. 典型应用电路
图19所示为FW54610产品典型应用线路。图中,FW54610(U1)额定输出电压为3.3V,可提供6A的输出电流。为保证散热良好,应将器件底部裸露的散热片(PowerPAD)用焊料整体焊接到电路板上。
图19  FW54610典型应用电路
电路说明:
1.输入滤波电路
   输入为5V直流电压。输入滤波电容C2是一个220μF的POSCAP电容,允许通过最大脉动电流为3A,C8是输入电源的高频旁路电容,安装时应尽可能靠近FW54610的输入引脚,脉动电流通过C2和C8流动到PGND回路,在电路板布局上,这部分回路需要和输出电容C9、C10上流通的电流回路分开。
2.反馈网络
   通过调节分压电阻R3、R4设置线路的输出电压为3.3V,此外,R1、R5、C3、C5和C6组成电路的补偿网络。
3.开关频率
   在应用线路中,选择350kHz频率,此时,RT引脚断开,SYNC接地。可以在RT(28脚)与模拟地之间接入180k~68k的电阻R,将开关频率设置在280kHz~700kHz之间。电阻R可用下式估算:
4.输出滤波电路
   输出滤波电路由一个4.7μH的电感器和两个470μF的电容器组成。要求电感器直流电阻低,典型值12mΩ。电容器为耐压4V的POSCAP电容,典型ESR为0.040Ω。反馈网络将单位增益带宽补偿到大约25kHz。
5.应用设计的热性能考虑
器件在满功率下工作时,要求模拟地金属层有足够面积保证器件散热需要。图20所示,采用散热通孔方式可有效地降低FW54610结至环境的热阻。在此列出了四种不同的散热通孔布局,每种布局都包含8个直径为0.30毫米的散热通孔,在PowerPAD的正下方,此外还有为数不等的直径为0.46毫米的通孔位于PowerPAD附近。
这些散热通孔在印刷电路板顶层直接焊接PowerPAD的铜导带相连接。散热通孔还连接到印刷电路板底层(背面)上的接地层。有些电路板还包括内部层上的接地层。这些内部接地层也连接到散热通孔,作为器件的散热片。图21所示的截面图就是散热通孔与接地层之间的连接。
    就散热通孔的数量而言,存在效用递减的规则。随着散热通孔数量的增加,每个新散热通孔对 器件结温的影响不断减小。本产品说明书推荐散热通孔布局B(图20)。这种散热通孔布局与器件本身占用的板级空间基本相当,同时还可降低接面至环境的热阻。如果板级空间允许的话,可增加额外的散热通孔,特别在环境温度更高的情况下更是如此。
II.小尺寸高频应用
图22所示电路为FW54610典型小尺寸高频应用线路,FW54610产品(U1)可提供超过6A的输出电流,额定输出电压1.8V。为了确保散热良好,必须将产品底部外露的热沉(PowerPAD)焊接在印刷电路板上。
电路说明:
1.开关频率选择
   SYNC接地时开关频率为350kHz;当SYNC接输入电源时开关频率为550kHz。为了得到可调节的开关频率,断开SYNC,在RT与模拟地之间接入阻值范围为180kΩ~68kΩ的电阻R1,可将开关频率在280kHz~700kHz之间进行调节。R1与开关频率之间的关系可表示为
图22  FW54610小尺寸高频应用电路
2.补偿元件的选择
反馈补偿电路包含R2、R3、R5、R6,C5、C6、C12等元件,这些元件的选取方法有多种,图22中主要考虑电路的稳定性和较宽的带宽。设计补偿电路首先要考虑的是补偿误差放大器的增益不被限制,其次,补偿误差放大器应将COMP的纹波电压降到100mV以下,另外,电路总回路串扰频率应小于开关频率的1/8,相位裕度至少为45°。上图中,电路串扰频率被限制在10kHz~70kHz,相位裕度范围为60°~90°。
3.慢启动时间选择
      FW54610慢启动电路可用来控制启动时输出电压的上升时间,内部慢启动时间设置为3.6ms。通过在SS/ENA引脚连接慢启动电容C3,可使其输出电压的上升时间超过内部设置值。慢启动电容的选取可由下式确定:
CSS=5tSS/0.891
式中,tSS为软启动时间。
慢启动一般从输入电压超过3V的启动阈值电压开始,如果使内部慢启动电路,输出电压将开始以线性方式上升到输出电压值;如果外接有慢启动电容,输出电压将经过固定延时tDELAY后开始上升,tDELAY取决于慢启动电容的值,可由下式计算:
tDELAY =1.2CSS/5μF
4.PowerPAD焊点
    PowerPAD使FW54610能以小型封装提供6安培的负载电流。为了提供6安培的额定电流,PowerPAD必须具备良好的焊接,这是至关重要的。如果PowerPAD焊点不良,就会提高电路板与PowerPAD之间的热阻抗,还会迫使更多热量流过器件引线。实验表明,为实现适当的散热性能,要求覆盖PowerPAD的焊料至少覆盖50%。
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