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AP2953在上网本中的应用

  摘要:该文章主要介绍了高压大功率降压DCDC芯片AP2953在基于ARM架构上网本上的应用,以及AP2953的结构特性,应用设计和使用特点。

  Bstract: This paper introduces a high-efficient, wide input voltage and high output current PWM synchronous DCDC buck converter AP2953, includes it's exceptive characteristics and applications. A example used on the netbook based on ARM cortex architecture is given.

  关键词:ARM, 上网本,DCDC

  随着网络速度的提升与普及,低价位、续航时间长的上网本愈来愈受到消费者的青睐。ARM架构的上网本以其体积小、重量轻、成本低、功耗小、持久续航力、生产和维护简单而受到很多生产厂商和消费者的瞩目。飞思卡尔(Freescale)、德州仪器(TI, Texas Instrument)、安凯(Anyka)、三星(Samsung)等公司基于ARM架构的处理器逐步占据一定市场。ARM架构的上网本通常用两节或三节锂电供电,通过高效率降压DCDC转换成5V电压,再由5V电压转换成3.3V、2.5V、1.8V、1.2V等电压给系统内部各个部分供电。ARM架构的上网本供电结构如下:

 图1:ARM架构的上网本供电结构。
图1:ARM架构的上网本供电结构。

  突出上网本的持久续航优势,除需要合适的组织架构外,各电压轨通路及器件选择也是重要的一环。本应用方案中,通过高压大功率DCDC—AP2953将外部适配器电压或电池组电压高效率地转换为系统5V主电压,然后再通过高效率低功耗DCDC—APS2406L和高精度低噪声LDO—AP1231转换为系统各部分适用的电压或直接给相关5V模块供电,提高电源整体转换效率。

  

  AP2953是无锡芯朋微电子有限公司利用自主开发的BCD工艺,专为便携移动计算和便携移动视频、通信设备设计的高效率高压高功率同步降压转换芯片。输入工作电压宽至4.75V到23V,输出电压0.925V可调至20V。3A的连续负载电流输出可保证系统各状态下稳定运行。其效率高达95%,满足各系统日益增强的节能和持久工作的要求。内部振荡频率340KHz ,以保证对系统其它部分的EMI干扰最小。该芯片还具有软启动(时间可调)和逐周期过流保护、短路保护及过温保护功能。AP2953的内部结构方框图如下:

图2:AP2953的内部结构方框图。
图2:AP2953的内部结构方框图。

  工作原理:AP2953是一内置两颗MOS管的电流型控制同步整流降压式DCDC转换器。输出电压经外部电阻分压后由误差放大器放大,然后和内部检测到的上管峰值电流进行比较,其结果决定了上管导通时间的占空比,而占空比变化控制输出电压变化,从而完成了负反馈控制。

  软启动过程:上电时由于反馈电压刚开始会低于0.3V,系统进入110KHz工作模式。内部的电流源给软启动电容充电,当SS脚电压到0.925V时,软启动结束。

  过流保护和短路保护:AP2953在每个周期都对上下管电流进行监控。当输出对地短路时,上管限流电阻所采样的电压达到所设定的限流点,芯片工作频率变为110KHz, COMP端被钳位,芯片在最小占空比模式下运行。

AP2953的典型应用电路:

图3:AP2953的典型应用电路。
图3:AP2953的典型应用电路。

AP2953的典型工作效率:

图4:AP2953的典型工作效率。
图4:AP2953的典型工作效率。


应用设计

  输出电压计算:根据输出电压公式Vo=0.925v*(1+R1/R2)可以得到输出电压值。要求用高精度反馈电阻。

  电感量选择:电感峰值电流 Ipeak=Iout+⊿IL/2;饱和电流通常为电感峰值电流的1.3-1.5倍。根据纹波电流计算电感量:

式1
式1

  其中⊿IL是电感纹波电流的峰-峰值。fs是开关频率。

  输入电容选择:对于降压DCDC,输入电流是不连续的,需要输入电容来提供交流通路。推荐使用低ESR的陶瓷电容X5R或X7R。输入电压纹波近似为:

式2
式2

  其中ILOAD是负载电流。

  输入电容所允许通过的有效交流电流值必须大于最大负载电流的一半。

  输出电容选择:输出电容是为了维持直流输出电压,推荐使用低ESR的陶瓷电容X5R或X7R。输出电压纹波近似为:

式3
式3

输出电容的耐压值须大于输出电压的1.5倍。

  补偿器件选择:COMP脚连着系统内部误差放大器的输出,控制着系统的稳定性和动态响应。外部用阻容串联器件来设置零极点的状态,修正转换传输函数以得到一个适当的环路增益,从而控制系统特性。系统的带宽是影响系统动态响应的重要因素,系统带宽减小会使系统的动态响应变差;相位裕度则是影响系统稳定性的重要因素。通常将系统带宽设置在低于开关频率的十分之一。R3的值和系统带宽成正比关系,当R3确定后,R3、C3共同决定了系统的相位裕量。通常选择:

式4
式4

其中fc是系统带宽。

LAYOUT注意事项:

  SW脚走出的线要尽量粗、短,电感要靠近3脚,BST电容C5要靠近1、3脚;输入电容C1要靠近2脚。输入电容、芯片地形成的环路要小,并且和电感、输出电容形成的环路面积也要尽量小。反馈电压需要从输出电容C2后面取出,反馈电阻R1、R2要靠近Fb脚(第5脚),并且要远离SW信号以防止干扰。要充分考虑大电流负载的散热问题。用于耗散IC所产生的热量的散热通路是从芯片至引线框架,并通过底部的散热片到达PC板铜面,和散热片相连的铜箔面积应尽可能宽,可在线路板层内部和背部增加通孔以充分提高散热性能。

  以上介绍了AP2953的基本结构、工作原理、特性以及应用设计和注意事项,给出了在实际ARM架构上网本中的应用案例。该器件以其宽工作电压范围、大输出电流以及高转换效率也应用于网络系统、FBGA、DSP、ASIC等系统的供电方案,在车载设备、工业控制领域也有广泛的应用前景。

作者简介:杨大鹏,无锡芯朋微电子公司特聘资深应用工程师,曾在通讯终端产品、消费类产品领域从事整机设计二十余年。

  
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