中心議題：
- LM2717的引腳功能
- LM2717的工作原理
- LM2717的應用設計
解決方案：
- LM2717外部元件的選擇
1 引言
LM2717是美國國家半導體公司推出的一款全新的高性能DC/DC變換器，內(nèi)含2個降壓脈寬調(diào)制(PWM)直流/直流變換器，其中一個專門用來提供固定輸出3.3 V電壓，另一個專門用來提供可調(diào)輸出電壓。2個變換器都設有導通電阻(RDSON)只有0.16 Ω的內(nèi)部開關(guān)，確保轉(zhuǎn)換效率最高，工作頻率可以在300 kHz~600 kHz調(diào)節(jié)，系統(tǒng)可以采用較小巧的外部元件。每個變換器也可以用其關(guān)閉引腳單獨關(guān)閉。該電路可廣泛應用于薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)、測控裝置、便攜式產(chǎn)品和膝上電腦。
LM2717的主要特性如下：
- 3.3 V固定輸出降壓變換器，內(nèi)有一個電流為2.2 A、電阻為0.16 Ω的內(nèi)部開關(guān)；
- 可調(diào)降壓變換器有一個電流為3.2 A、電阻為0.16 Ω的內(nèi)部開關(guān)；
- 工作輸入電壓范圍是4 V～20 V；
- 低電壓輸入保護；
- 可調(diào)工作頻率范圍為300 kHz-600 kHz；
- 24引腳TSSOP封裝。
2 引腳功能
如圖1所示為LM2717的引腳排列，各個引腳的基本功能如下：
PGND(1，2，11，12)：電源地，AGND和PGND必須直接連在一起。
AGND(3,9，10)：模擬地，AGND和PGND必須直接連在一起。
FBl(4)：固定降壓輸出電壓的反饋輸入端。
VC1(5)：固定降壓補償網(wǎng)絡連接引腳，接至電壓誤差放大器的輸出端。
VVG(6)：帶隙連接端。
VC2(7)：可調(diào)降壓補償網(wǎng)絡連接引腳，接至電壓誤差放大器的輸出端。
FB2(8)：可調(diào)降壓輸出電壓的反饋輸入端。
SW2(13)：可調(diào)降壓電源開關(guān)輸入端。開關(guān)連接在VIN引腳和SW2引腳之間。
VIN(14，15,23)：模擬電源輸入端。VIN引腳應該直接連在一起。
CB2(16)：可調(diào)降壓變換器自舉電容器連接引腳。
SHDN2(17)：可調(diào)降壓變換器的關(guān)閉引腳。低電壓時激活。
SS2(18)：可調(diào)降壓軟啟動引腳。
FSLCT(19)：轉(zhuǎn)換頻率選擇輸入端。利用一只電阻器可在300 kHz~600 kHz范圍內(nèi)設置頻率。
SSI(20)：固定降壓軟啟動引腳。
SHDNl(21)：固定降壓變換器的關(guān)閉引腳。低電壓時激活。
CBl(22)：固定降壓變換器自舉電容器連接引腳。
SWl(24)：固定降壓電源開關(guān)輸入端。開關(guān)連接在VIN引腳和SWl引腳之間。
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3 工作原理
圖2所示為LM2717的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。該器件有專門的保護電路，正常工作時，該電路對LM2717具有保護功能。當器件溫度過高時，熱關(guān)閉電路會切斷電源。OVP比較器在電源啟動和關(guān)閉期間保護電源裝置，防止器件在最小輸入電壓下工作。OVP比較器被用來防止輸出電壓在沒有負載情況下上升，允許在滿載條件下的全脈寬調(diào)制(PWM)。當電源電流達到10μA時，該器件會使變換器工作在關(guān)閉模式。
該器件內(nèi)含電流模式的脈寬調(diào)制降壓調(diào)節(jié)器。降壓調(diào)節(jié)器逐步把輸入電壓降低為一個較低的輸出電壓。在導通模式下(當電感電流在穩(wěn)定狀態(tài)下恒不為零時)，降壓調(diào)節(jié)器有兩個工作周期。電源開關(guān)連接在VIN和SWl、SW2引腳之間。
在第一個工作周期里，晶體管關(guān)斷，二極管反向偏置。能量貯存在電感中，負載電流由COUT和通過電感增加的電流提供。在第二個工作周期中，晶體管導通，二極管正向偏置，由于電感電流不能瞬間改變方向。貯存在電感中的能量轉(zhuǎn)移到負載和輸出電容器。這兩個周期的比率確定輸出電壓，輸出電壓可近似地定義為：
式中，D是開關(guān)的占空因數(shù)，D和D’為設計計算時需要。
4 應用設計
圖3所示是LM2717的典型應用電路。圖中，VIN是整個應用電路的電壓輸入端，VOUT1是固定降壓變換器的電壓輸出端，VOUT2是可調(diào)降壓變換器的電壓輸出端。CIN、Coot、CSS、CBOOT、L分別是輸入電容器、輸出電容器、軟啟動電容器、自舉電容器、電感，這幾個元件在設計時應著重考慮。這里主要介紹利用該電路進行設計時一些主要外元件的選擇原則及需注意的問題。
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4.1 外部元件的選擇
輸出電壓是依據(jù)反饋引腳和連接到輸出端的電阻分壓器設計的，如圖3所示。反饋引腳的電壓是1.26 V，因此根據(jù)式(2)，由反饋電阻比來設計輸出電壓：
輸入電容器的選擇。在輸入引腳和電源地之間需接一只低ESR(等效電阻)的鋁、鉭或者陶瓷輸入電容器CIN該輸入電容器可防止輸入端產(chǎn)生瞬時大電壓。輸入電容器的選擇是基于RMS電流和電壓要求。
RMS電流由下式給出：
當輸入電壓VIN等于2VOUT時，RMS電流達到最大值(IOUT/2)。應該對兩個變換器分別計算該值，然后相加得到總RMS電流。如果使用鋁或陶瓷電容器來說，電壓應至少高于輸入電壓最大值的25％。如果使用的是鉭電容器，需要電壓大約是輸入電壓最大值的2倍。對于較低的負載電流輸出應用和較少的動態(tài)(快速變化)負載環(huán)境來說，最小電容值應為47 μF。因此在這種應用中，推薦使用一只68μF-100μF的低ESR電容器。推薦在輸入引腳和接地引腳之間放置一只O.1 μF~4.7 μF電容器，以減少高頻毛刺。
電感的關(guān)鍵參數(shù)是電感系數(shù)、峰值電流和直流阻抗。電感系數(shù)與電感波紋電流峰-峰值、輸入電壓以及輸出電壓有關(guān)(工作頻率是300kHz)。即：
較高的波紋電流能減小電感系數(shù)，但是會增加電感和開關(guān)裝置的電導損耗、核損耗和電流壓力。對于同樣輸出電壓波紋要求,則需要一只大容量的輸出電容器。波紋電流設置為直流輸出電流的30％是合理的。因為波紋電流會隨著輸入電壓增加而增加,最大輸入電壓會削弱電感系數(shù)。電感的直流阻抗是效率的一個主要參數(shù)。較低的直流阻抗可利用一個較大的線圈實現(xiàn)。效率和尺寸大小之間的良好折衷方案為電感銅損耗等于輸出電壓的2％。
輸出電容器(CONT)的選擇受最大允許輸出電壓波紋影響。輸出電壓波紋在固定頻率脈寬調(diào)制模式下近似值為：
ESR在決定電壓波紋時通常起著支配的作用。推薦使用低ESR的鋁電解電容器或鉭電容器。溫度低于-25℃時不要使用電解電容器，因為它的ESR低溫下會極快的上升。而陶瓷或鉭電容器則在低溫時具有較好的ESR，因此在低溫應用中首選陶瓷或鉭電容。
自舉電容器推其使用4.7 nF或者較大的陶瓷電容器。對于輸入電壓小于2倍的輸出電壓的應用,推薦采用更大的自舉電容器。
該器件無允許快速啟動的內(nèi)部軟啟動，但是也會產(chǎn)生大的浪涌電流。因此，對于需要降低浪涌電流的應用，該器件有限制DC/DC轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)器啟動時浪涌電流的電路。浪涌電流限制電路可作為軟啟動。外部的SS引腳用來調(diào)節(jié)軟啟動的特殊應用。電流ISS影響外部軟啟動電容器CSS，軟啟動時間計算為：
該器件的關(guān)閉引腳可以用1.8 V或者更高的邏輯信號進行控制。如果不使用引腳的關(guān)閉功能，則應斷開該引腳。關(guān)閉引腳的最大電壓為7.5 V。如果由于系統(tǒng)或者其他方面的限制，關(guān)閉引腳需要使用更高的電壓，則推薦在應用電壓引腳和關(guān)閉引腳之間接一只100 kΩ或者更大阻值的電阻器來保護該功能。
4.2 需注意的問題
該器件有兩個獨立的接地引腳，PGND用于驅(qū)動器和升壓式NMOS電源裝置，AGND可靈敏模擬控制電路。AGND和PGND引腳應該直接連在一起。反饋和補償網(wǎng)絡應該直接連接到一個專門模擬地層，這個模擬地層必須連接至AGND引腳。如果沒有模擬地層，反饋和補償網(wǎng)絡必須直接連接至AGND引腳。而將這些網(wǎng)絡連接到PGND引腳會給系統(tǒng)增加噪聲。輸入旁路電容器CIN必須盡量靠近該器件放置，如圖3所示。這有助予減少影響輸入電壓波紋的銅線阻抗。為了濾除額外輸入電壓，應將一只0.1μF~4.7μF的旁路電容器與CIN并聯(lián)，盡量靠近VIN引腳，以抑制任何高頻噪聲。輸出電容器COUT1和COUT2也應該靠近LM2717放置。對輸出電容器COUTX的銅線連接能夠增加連續(xù)阻抗，直接影響輸出電壓波紋。反饋網(wǎng)絡的電阻器RFB1和RFB2應該盡量靠近FB引腳放置，遠離電感，使增加系統(tǒng)噪聲的銅線連接最短。電感和肖特基二極管的布線應該最短，以減少電源損耗并提高總體效率。
5 結(jié)束語
輸出電壓可調(diào)節(jié)的電源分配結(jié)構(gòu)可以為系統(tǒng)的特殊應用集成電路及數(shù)字信號處理器提供穩(wěn)壓電源。美國國家半導體公司這款全新的雙通道降壓型DC/DC變換器不但具有高度的靈活性，而且性能卓越，是負載點結(jié)構(gòu)采用的理想解決方案。
