立綺科技工業(yè)級(jí) Buck 轉(zhuǎn)換器RTQ6363應(yīng)用說明解析

RTQ6363 是工作電壓范圍為 4.5V~60V、啟動(dòng)后最低輸入電壓可低到 4V 的工業(yè)級(jí) Buck 轉(zhuǎn)換器，其負(fù)載能力為 3.5A，輸出電壓可在 0.8V~VIN 間進(jìn)行設(shè)定。它采用峰值電流模式控制架構(gòu)，工作頻率可用一只外接電阻在 100kHz~2.5MHz 間進(jìn)行設(shè)定，也支持用外部時(shí)鐘信號(hào)控制進(jìn)行同步動(dòng)作，外部時(shí)鐘信號(hào)的頻率范圍可在 200kHz~2.2MHz 之間選擇。
RTQ6363 可以兩種封裝形式供貨，一種是 PSOP-8，一種是 4mm X 4mm 的 DFN-10L，后者因?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%BC%95%E8%84%9A/">引腳較多而具有可調(diào)的軟啟動(dòng)能力和 PGOOD 指示信號(hào)輸出，同時(shí)也具有更高的散熱能力，但是占位面積卻更小，比較適合那些對(duì)時(shí)序控制要求較高的應(yīng)用的需求。

為了幫助用戶更好地使用 RTQ6363，我的一位歐洲同事最近寫了一篇應(yīng)用筆記 AN063，其中引用了立锜科技專為 RT(Q)63xx 系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一個(gè) EXCEL 設(shè)計(jì)工具進(jìn)行了兩個(gè)應(yīng)用案例的完整設(shè)計(jì)和測(cè)試驗(yàn)證，同時(shí)把相關(guān)元器件的選用規(guī)則也給了出來，還進(jìn)行了一些關(guān)鍵元件的不同選擇帶來的不同結(jié)果的比較和驗(yàn)證，是一篇非常有參考價(jià)值的文章，而我已經(jīng)完成了對(duì)它的翻譯，很快就會(huì)通過電子郵件的形式推送給訂閱了立锜電子報(bào)的讀者。

我在完成了 AN063 的翻譯后重讀 RTQ6363的規(guī)格書時(shí)，覺得其規(guī)格書的應(yīng)用說明部分也寫得非常好，所以發(fā)心要把它翻譯出來供咱們的讀者使用，下面便是這次翻譯的結(jié)果。由于規(guī)格書的寫作方法并不適合以一般文章的形式呈現(xiàn)，所以我在翻譯時(shí)會(huì)有一些小的修改，希望這能得到讀者的理解。又考慮到其內(nèi)容繁多，并不適合一次就發(fā)完，所以將以連載的形式來發(fā)布，請(qǐng)有興趣的讀者們持續(xù)關(guān)注。

RTQ6363 的應(yīng)用說明

RTQ6363 的型號(hào)定義和引腳布置

RTQ6363 的內(nèi)部電路框圖

RTQ6363 的典型應(yīng)用電路

上面給出了 RTQ6363 常見的一些應(yīng)用電路，每個(gè)電路中的外部元件的選擇都主要由應(yīng)用需求決定，設(shè)計(jì)中的第一步是要通過對(duì)外部電阻 RRT/SYNC 的選擇來決定其開關(guān)切換工作頻率，接著便是電感 L、輸入電容 CIN、輸出電容 COUT 和續(xù)流二極管的選擇，然后是通過對(duì)反饋電阻、補(bǔ)償電路參數(shù)的選擇來設(shè)定需要的輸出電壓和交叉頻率。自舉電容 CBOOT 的選擇比較簡(jiǎn)單，使能端 EN、軟啟動(dòng)端 SS、PGOOD 和同步等端子涉及到的外圍元件可根據(jù)具體的應(yīng)用需求來做選擇，通常不會(huì)有多大問題。

開關(guān)切換工作頻率的設(shè)定

RTQ6363 的開關(guān)切換工作頻率是可調(diào)的，通過 RRT/SYNC 端的外接電阻便可對(duì)其進(jìn)行設(shè)定，其設(shè)定范圍為 100kHz~2.5MHz。工作頻率選擇的難點(diǎn)是要在轉(zhuǎn)換效率和元件的尺寸方面進(jìn)行權(quán)衡，較高的工作頻率容許使用較小的電感和電容量，而較低的工作頻率則可降低內(nèi)部開關(guān)的柵極電容充電損失和切換過程帶來的損失，但也同時(shí)需要較大的電感量和/或電容量以維持較低的輸入電壓紋波。

開關(guān)的最短導(dǎo)通時(shí)間和最短截止時(shí)間對(duì)工作頻率的選擇會(huì)帶來一定的限制。最短導(dǎo)通時(shí)間 tON_MIN 是上橋開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)的最短時(shí)間長(zhǎng)度，RTQ6363 的這個(gè)參數(shù)的典型值是 100ns。在電流連續(xù)工作模式下，最高工作頻率 fSW_MAX 受到最短導(dǎo)通時(shí)間的限制，它們之間的關(guān)系是：

其中的 VIN_MAX 是最大可能的輸入電壓。

最短截止時(shí)間 tOFF_MIN 是 RTQ6363 內(nèi)部電流比較器恢復(fù)常態(tài)并能讓 MOSFET 上橋開關(guān)再次動(dòng)作所需要的最短時(shí)間，這項(xiàng)參數(shù)的典型值是 130ns。假如要讓工作頻率恒定不變，實(shí)際的截止時(shí)間就要比最短截止時(shí)間更長(zhǎng)才行。下面的最短截止時(shí)間計(jì)算公式是將各種損耗項(xiàng)目也納入了考慮的結(jié)果：

其中的 RDS(ON)_H 是上橋 MOSFET 開關(guān)的導(dǎo)通電阻；VD 是續(xù)流二極管的正向?qū)妷海籖L 是電感器的直流阻抗。

通過連接在 RT/SYNC 和地之間的外接電阻可以設(shè)定工作頻率 fSW，這個(gè)端子是按照 FMEA 失效模式及其效應(yīng)分析的結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)的，這可確保它在遇到諸如短路到地或是處于浮空狀態(tài)等失效狀態(tài)時(shí)也不會(huì)讓器件以不正常的頻率工作。實(shí)際上的狀況將是這樣的，假如該端子與地短路了，器件的工作頻率就會(huì)是 900kHz（典型值）；假如該端子處于浮空狀態(tài)，實(shí)際的工作頻率就會(huì)是 240kHz（典型值）；假如該端子是正常連接的，實(shí)際的電阻值與工作頻率之間的關(guān)系便如下式所示：

其中的 fSW(kHz) 是我們希望設(shè)定的工作頻率。設(shè)定工作頻率的電阻最好是使用 1% 精度或更高精度的電阻，其溫度系數(shù)應(yīng)該是 100ppm 或更低。下圖顯示了工作頻率 fSW 與電阻 RRT/SYNC 的值之間的關(guān)系：

電感器的選擇

電感器的選擇需要在尺寸、成本、效率和瞬態(tài)響應(yīng)需求之間進(jìn)行權(quán)衡，其關(guān)鍵參數(shù)包含三個(gè)：電感量 L、電感器飽和電流 ISAT 和直流阻抗 DCR。

一個(gè)值得推薦的尺寸與損耗之間的平衡點(diǎn)是將電感電流的紋波峰峰值設(shè)定為 IC 額定電流的 30%，再加上工作頻率、輸入電壓、輸出電壓便可一起計(jì)算出電感量的值：

較大的電感量會(huì)導(dǎo)致較低的輸出電壓紋波和較高的效率，但會(huì)略微降低瞬態(tài)響應(yīng)能力，會(huì)導(dǎo)致環(huán)路相位的滯后，降低交叉頻率，當(dāng)斜率補(bǔ)償斜坡與檢測(cè)到的電流斜坡之間的比值增加時(shí)，電流模式的控制系統(tǒng)就變得越來越像電壓模式的控制系統(tǒng)了。較低的電感量會(huì)導(dǎo)致較小的尺寸，但是電流紋波的增長(zhǎng)會(huì)帶來電流限制閾值的精度降低，增加電感器的交流損耗，也會(huì)在占空比接近或超過 50% 時(shí)導(dǎo)致補(bǔ)償不足，出現(xiàn)嚴(yán)重的環(huán)路不穩(wěn)定問題。當(dāng)占空比超過 50% 時(shí)，下列條件需要得到滿足：

將電感電流紋波 ? IL 設(shè)定在最大額定輸出電流（3.5A）的 10%~50% 可在尺寸、效率和瞬態(tài)響應(yīng)之間得到一個(gè)比較好的平衡。

為了得到好的效率表現(xiàn)，可在容許的空間尺寸內(nèi)選擇具有最低直流阻抗的低損耗電感。電感量不僅會(huì)決定電流紋波的大小，也會(huì)決定發(fā)生 DCM/CCM 模式切換時(shí)的負(fù)載電流值。被選中的電感器應(yīng)該擁有大于 IC? 峰值電流限制閾值的飽和電流額定值，其磁芯應(yīng)該足夠大，以便其在出現(xiàn)電感電流峰值（IL_PEAK）時(shí)也不至于會(huì)發(fā)生飽和現(xiàn)象，其中的電感電流峰值計(jì)算公式列出如下：

即流過電感器的電流由電感紋波電流和負(fù)載電流共同組成。在上電、發(fā)生故障或負(fù)載發(fā)生瞬變時(shí)，電感電流可能發(fā)生超過上面計(jì)算出的電感電流峰值的情況。由于在負(fù)載發(fā)生瞬變期間有可能發(fā)生電感電流頂?shù)?IC 的開關(guān)電流限制值的情況，許多偏于保守的設(shè)計(jì)便會(huì)選擇飽和電流參數(shù)額定值等于或大于 IC 開關(guān)電流限制的電感器。為了得到好的 EMI 性能，所選電感器最好是帶有屏蔽的設(shè)計(jì)。

輸入電容的選擇

輸入電容 CIN 起著對(duì)上橋 MOSFET 開關(guān)漏極脈沖電流進(jìn)行濾波的作用，其大小應(yīng)當(dāng)能夠避免在輸入端出現(xiàn)大的電壓變化。出現(xiàn)在輸入電容上的輸入端電壓紋波可用如下公式進(jìn)行評(píng)估：

其中有

下面的圖 5 顯示了流過輸入電容 CIN 的紋波電流和它在電容上形成的電壓紋波。

對(duì)陶瓷電容而言，其等效串聯(lián)電阻 ESR 很小，由其導(dǎo)致的紋波可以被忽略，我們可用下述公式對(duì)實(shí)際需要的輸入電容有效值進(jìn)行估算：

其中的 ?VCIN_MAX 是輸入電壓紋波最大值。

輸入電容不僅需要具有很低的 ESR ，還要具有承擔(dān)最壞情況下的輸入電流紋波有效值的能力。轉(zhuǎn)換器的輸入電流紋波有效值（IRMS）可根據(jù)輸入電壓 VIN、輸出電壓 VOUT 和額定負(fù)載電流 IOUT 經(jīng)由下述公式進(jìn)行評(píng)估：

輸入電流紋波有效值的最大值發(fā)生在負(fù)載最大時(shí)，這個(gè)需求必須被納入輸入電容電流承載能力的考慮當(dāng)中去。輸入電流紋波最大值通常發(fā)生在占空比為 50% 時(shí)，此時(shí)有 VIN= 2 x VOUT，因此便常將 VIN= 2 x VOUT? 時(shí)的 IRMS≈0.5 x IOUT_MAX 用于設(shè)計(jì)中。需要注意的是由電容制造商提供的紋波電流承載能力通常是以 2000 小時(shí)壽命為計(jì)算依據(jù)的，因而比較明智的做法是要給電容更多的降額使用空間，或者是要選擇比實(shí)際需求更高的電容使用溫度等級(jí)。

現(xiàn)實(shí)中常常需要將多只電容并聯(lián)使用來滿足應(yīng)用對(duì)尺寸、高度和熱性能的需求，遇到輸入電壓很低的應(yīng)用時(shí)還需要使用很多大容量的輸入電容來滿足負(fù)載變化期間將瞬態(tài)效應(yīng)的影響最小化的需求。

陶瓷電容因?yàn)榫哂谐叽缧?、耐折騰、ESR 很低等特性而成為開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器最佳的輸入電容選擇，但在使用它們時(shí)卻必須非常小心，因?yàn)樘沾奢斎腚娙菰诮Y(jié)合上線路電感以后就形成了一個(gè)品質(zhì)因數(shù)很高的諧振電路，假如將這樣設(shè)計(jì)的 RTQ6363 應(yīng)用電路直接插入已帶電的電源，其輸入端就可能出現(xiàn)高達(dá)額定電壓 2 倍的振鈴信號(hào)，完全可能超出 IC 的最大電壓承受能力。要想避免這樣的狀況發(fā)生，最簡(jiǎn)單的做法是給低 ESR 的陶瓷輸入電容并聯(lián)一只具有較高 ESR 的大容量電容，它可以起到對(duì)電壓振鈴信號(hào)的抑制作用。

輸入電容應(yīng)該被放置在盡可能接近 IC 的 VIN 和 GND 的地方，其連接形成的電感要盡可能地低才好。VIN 端要求的旁路電容有效容量至少得有 3μF，在工作頻率為 400kHz 的應(yīng)用中，可以將兩只 4.7μF/X7R 的電容連接在 VIN 和 GND 之間。如果工作頻率更低，需要的輸入電容便要更大。為了消除高頻噪聲，另外的 0.1μF 小電容應(yīng)該和這些器件放在一起來使用，其封裝規(guī)格應(yīng)該是 0402 或 0603 的。為了在寬闊的溫度范圍內(nèi)和輸入電壓變化的情況下都能獲得最佳的性能，所選陶瓷電容最好是 X7R 類型的。（未完待續(xù)）

轉(zhuǎn)載自?RichtekTechnology。