摘要：該文章主要介紹了高壓大功率降壓DCDC芯片AP2953在基于ARM架構(gòu)上網(wǎng)本上的應(yīng)用，以及AP2953的結(jié)構(gòu)特性，應(yīng)用設(shè)計和使用特點。
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.
關(guān)鍵詞：ARM, 上網(wǎng)本，DCDC
隨著網(wǎng)絡(luò)速度的提升與普及，低價位、續(xù)航時間長的上網(wǎng)本愈來愈受到消費者的青睞。ARM架構(gòu)的上網(wǎng)本以其體積小、重量輕、成本低、功耗小、持久續(xù)航力、生產(chǎn)和維護簡單而受到很多生產(chǎn)廠商和消費者的矚目。飛思卡爾(Freescale)、德州儀器(TI, Texas Instrument)、安凱（Anyka）、三星（Samsung）等公司基于ARM架構(gòu)的處理器逐步占據(jù)一定市場。ARM架構(gòu)的上網(wǎng)本通常用兩節(jié)或三節(jié)鋰電供電，通過高效率降壓DCDC轉(zhuǎn)換成5V電壓，再由5V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V、2.5V、1.8V、1.2V等電壓給系統(tǒng)內(nèi)部各個部分供電。ARM架構(gòu)的上網(wǎng)本供電結(jié)構(gòu)如下：
圖1：ARM架構(gòu)的上網(wǎng)本供電結(jié)構(gòu)。
突出上網(wǎng)本的持久續(xù)航優(yōu)勢，除需要合適的組織架構(gòu)外，各電壓軌通路及器件選擇也是重要的一環(huán)。本應(yīng)用方案中，通過高壓大功率DCDC—AP2953將外部適配器電壓或電池組電壓高效率地轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)5V主電壓，然后再通過高效率低功耗DCDC—APS2406L和高精度低噪聲LDO—AP1231轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)各部分適用的電壓或直接給相關(guān)5V模塊供電，提高電源整體轉(zhuǎn)換效率。
AP2953是無錫芯朋微電子有限公司利用自主開發(fā)的BCD工藝，專為便攜移動計算和便攜移動視頻、通信設(shè)備設(shè)計的高效率高壓高功率同步降壓轉(zhuǎn)換芯片。輸入工作電壓寬至4.75V到23V，輸出電壓0.925V可調(diào)至20V。3A的連續(xù)負載電流輸出可保證系統(tǒng)各狀態(tài)下穩(wěn)定運行。其效率高達95%，滿足各系統(tǒng)日益增強的節(jié)能和持久工作的要求。內(nèi)部振蕩頻率340KHz ,以保證對系統(tǒng)其它部分的EMI干擾最小。該芯片還具有軟啟動（時間可調(diào)）和逐周期過流保護、短路保護及過溫保護功能。AP2953的內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖如下：
圖2：AP2953的內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖。
工作原理：AP2953是一內(nèi)置兩顆MOS管的電流型控制同步整流降壓式DCDC轉(zhuǎn)換器。輸出電壓經(jīng)外部電阻分壓后由誤差放大器放大，然后和內(nèi)部檢測到的上管峰值電流進行比較，其結(jié)果決定了上管導(dǎo)通時間的占空比，而占空比變化控制輸出電壓變化，從而完成了負反饋控制。
軟啟動過程：上電時由于反饋電壓剛開始會低于0.3V，系統(tǒng)進入110KHz工作模式。內(nèi)部的電流源給軟啟動電容充電，當SS腳電壓到0.925V時，軟啟動結(jié)束。
過流保護和短路保護：AP2953在每個周期都對上下管電流進行監(jiān)控。當輸出對地短路時，上管限流電阻所采樣的電壓達到所設(shè)定的限流點，芯片工作頻率變?yōu)?10KHz, COMP端被鉗位，芯片在最小占空比模式下運行。
AP2953的典型應(yīng)用電路：
圖3：AP2953的典型應(yīng)用電路。
AP2953的典型工作效率：
圖4：AP2953的典型工作效率。
應(yīng)用設(shè)計
輸出電壓計算：根據(jù)輸出電壓公式Vo=0.925v*(1+R1/R2)可以得到輸出電壓值。要求用高精度反饋電阻。
電感量選擇：電感峰值電流 Ipeak=Iout+⊿IL/2;飽和電流通常為電感峰值電流的1.3-1.5倍。根據(jù)紋波電流計算電感量：
式1
其中⊿IL是電感紋波電流的峰－峰值。fs是開關(guān)頻率。
輸入電容選擇：對于降壓DCDC，輸入電流是不連續(xù)的，需要輸入電容來提供交流通路。推薦使用低ESR的陶瓷電容X5R或X7R。輸入電壓紋波近似為：
式2
其中ILOAD是負載電流。
輸入電容所允許通過的有效交流電流值必須大于最大負載電流的一半。
輸出電容選擇：輸出電容是為了維持直流輸出電壓，推薦使用低ESR的陶瓷電容X5R或X7R。輸出電壓紋波近似為：
式3
輸出電容的耐壓值須大于輸出電壓的1.5倍。
補償器件選擇：COMP腳連著系統(tǒng)內(nèi)部誤差放大器的輸出，控制著系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)。外部用阻容串聯(lián)器件來設(shè)置零極點的狀態(tài)，修正轉(zhuǎn)換傳輸函數(shù)以得到一個適當?shù)沫h(huán)路增益，從而控制系統(tǒng)特性。系統(tǒng)的帶寬是影響系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的重要因素，系統(tǒng)帶寬減小會使系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)變差；相位裕度則是影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素。通常將系統(tǒng)帶寬設(shè)置在低于開關(guān)頻率的十分之一。R3的值和系統(tǒng)帶寬成正比關(guān)系，當R3確定后，R3、C3共同決定了系統(tǒng)的相位裕量。通常選擇：
式4
其中fc是系統(tǒng)帶寬。
LAYOUT注意事項：
SW腳走出的線要盡量粗、短，電感要靠近3腳，BST電容C5要靠近1、3腳；輸入電容C1要靠近2腳。輸入電容、芯片地形成的環(huán)路要小，并且和電感、輸出電容形成的環(huán)路面積也要盡量小。反饋電壓需要從輸出電容C2后面取出，反饋電阻R1、R2要靠近Fb腳(第5腳)，并且要遠離SW信號以防止干擾。要充分考慮大電流負載的散熱問題。用于耗散IC所產(chǎn)生的熱量的散熱通路是從芯片至引線框架，并通過底部的散熱片到達PC板銅面，和散熱片相連的銅箔面積應(yīng)盡可能寬，可在線路板層內(nèi)部和背部增加通孔以充分提高散熱性能。
以上介紹了AP2953的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、特性以及應(yīng)用設(shè)計和注意事項，給出了在實際ARM架構(gòu)上網(wǎng)本中的應(yīng)用案例。該器件以其寬工作電壓范圍、大輸出電流以及高轉(zhuǎn)換效率也應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、FBGA、DSP、ASIC等系統(tǒng)的供電方案，在車載設(shè)備、工業(yè)控制領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用前景。
作者簡介：楊大鵬，無錫芯朋微電子公司特聘資深應(yīng)用工程師，曾在通訊終端產(chǎn)品、消費類產(chǎn)品領(lǐng)域從事整機設(shè)計二十余年。
