LM2717型双降压直流/直流变换器的原理及应用
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关键词：LM2717；PWM；DC/DC变换器；设计
1 引言
LM2717是美国国家半导体公司推出的一款全新的高性能DC/DC变换器，内含2个降压脉宽调制(PWM)直流/直流变换器，其中一个专门用来提供固定输出3.3 V电压，另一个专门用来提供可调输出电压。2个变换器都设有导通电阻(RDSON)只有0.16 Ω的内部开关，确保转换效率最高，工作频率可以在300 kHz~600 kHz调节，系统可以采用较小巧的外部元件。每个变换器也可以用其关闭引脚单独关闭。该电路可广泛应用于薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)、测控装置、便携式产品和膝上电脑。
LM2717的主要特性如下：
3.3 V固定输出降压变换器，内有一个电流为2.2 A、电阻为0.16 Ω的内部开关；
可调降压变换器有一个电流为3.2 A、电阻为0.16 Ω的内部开关；
工作输入电压范围是4 V～20 V；
低电压输入保护；
可调工作频率范围为300 kHz-600 kHz；
24引脚TSSOP封装。
2 引脚功能
如图1所示为LM2717的引脚排列，各个引脚的基本功能如下：
PGND(1，2，11，12)：电源地，AGND和PGND必须直接连在一起。
AGND(3,9，10)：模拟地，AGND和PGND必须直接连在一起。
FBl(4)：固定降压输出电压的反馈输入端。
VC1(5)：固定降压补偿网络连接引脚，接至电压误差放大器的输出端。
VVG(6)：带隙连接端。
VC2(7)：可调降压补偿网络连接引脚，接至电压误差放大器的输出端。
FB2(8)：可调降压输出电压的反馈输入端。
SW2(13)：可调降压电源开关输入端。开关连接在VIN引脚和SW2引脚之间。
VIN(14，15,23)：模拟电源输入端。VIN引脚应该直接连在一起。
CB2(16)：可调降压变换器自举电容器连接引脚。
SHDN2(17)：可调降压变换器的关闭引脚。低电压时激活。
SS2(18)：可调降压软启动引脚。
FSLCT(19)：转换频率选择输入端。利用一只电阻器可在300 kHz~600 kHz范围内设置频率。
SSI(20)：固定降压软启动引脚。
SHDNl(21)：固定降压变换器的关闭引脚。低电压时激活。
CBl(22)：固定降压变换器自举电容器连接引脚。
SWl(24)：固定降压电源开关输入端。开关连接在VIN引脚和SWl引脚之间。
3 工作原理
图2所示为LM2717的内部结构框图。该器件有专门的保护电路，正常工作时，该电路对LM2717具有保护功能。当器件温度过高时，热关闭电路会切断电源。OVP比较器在电源启动和关闭期间保护电源装置，防止器件在最小输入电压下工作。OVP比较器被用来防止输出电压在没有负载情况下上升，允许在满载条件下的全脉宽调制(PWM)。当电源电流达到10μA时，该器件会使变换器工作在关闭模式。
该器件内含电流模式的脉宽调制降压调节器。降压调节器逐步把输入电压降低为一个较低的输出电压。在导通模式下(当电感电流在稳定状态下恒不为零时)，降压调节器有两个工作周期。电源开关连接在VIN和SWl、SW2引脚之间。
在第一个工作周期里，晶体管关断，二极管反向偏置。能量贮存在电感中，负载电流由COUT和通过电感增加的电流提供。在第二个工作周期中，晶体管导通，二极管正向偏置，由于电感电流不能瞬间改变方向。贮存在电感中的能量转移到负载和输出电容器。这两个周期的比率确定输出电压，输出电压可近似地定义为：
式中，D是开关的占空因数，D和D’为设计计算时需要。
4 应用设计
图3所示是LM2717的典型应用电路。图中，VIN是整个应用电路的电压输入端，VOUT1是固定降压变换器的电压输出端，VOUT2是可调降压变换器的电压输出端。CIN、Coot、CSS、CBOOT、L分别是输入电容器、输出电容器、软启动电容器、自举电容器、电感，这几个元件在设计时应着重考虑。这里主要介绍利用该电路进行设计时一些主要外元件的选择原则及需注意的问题。
4.1 外部元件的选择
输出电压是依据反馈引脚和连接到输出端的电阻分压器设计的，如图3所示。反馈引脚的电压是1.26 V，因此根据式(2)，由反馈电阻比来设计输出电压：
输入电容器的选择。在输入引脚和电源地之间需接一只低ESR(等效电阻)的铝、钽或者陶瓷输入电容器CIN该输入电容器可防止输入端产生瞬时大电压。输入电容器的选择是基于RMS电流和电压要求。
RMS电流由下式给出：
当输入电压VIN等于2VOUT时，RMS电流达到最大值(IOUT/2)。应该对两个变换器分别计算该值，然后相加得到总RMS电流。如果使用铝或陶瓷电容器来说，电压应至少高于输入电压最大值的25％。如果使用的是钽电容器，需要电压大约是输入电压最大值的2倍。对于较低的负载电流输出应用和较少的动态(快速变化)负载环境来说，最小电容值应为47 μF。因此在这种应用中，推荐使用一只68μF-100μF的低ESR电容器。推荐在输入引脚和接地引脚之间放置一只O.1 μF~4.7 μF电容器，以减少高频毛刺。
电感的关键参数是电感系数、峰值电流和直流阻抗。电感系数与电感波纹电流峰-峰值、输入电压以及输出电压有关(工作频率是300kHz)。即：
较高的波纹电流能减小电感系数，但是会增加电感和开关装置的电导损耗、核损耗和电流压力。对于同样输出电压波纹要求,则需要一只大容量的输出电容器。波纹电流设置为直流输出电流的30％是合理的。因为波纹电流会随着输入电压增加而增加,最大输入电压会削弱电感系数。电感的直流阻抗是效率的一个主要参数。较低的直流阻抗可利用一个较大的线圈实现。效率和尺寸大小之间的良好折衷方案为电感铜损耗等于输出电压的2％。
输出电容器(CONT)的选择受最大允许输出电压波纹影响。输出电压波纹在固定频率脉宽调制模式下近似值为：
ESR在决定电压波纹时通常起着支配的作用。推荐使用低ESR的铝电解电容器或钽电容器。温度低于-25℃时不要使用电解电容器，因为它的ESR低温下会极快的上升。而陶瓷或钽电容器则在低温时具有较好的ESR，因此在低温应用中首选陶瓷或钽电容。
自举电容器推其使用4.7 nF或者较大的陶瓷电容器。对于输入电压小于2倍的输出电压的应用,推荐采用更大的自举电容器。
该器件无允许快速启动的内部软启动，但是也会产生大的浪涌电流。因此，对于需要降低浪涌电流的应用，该器件有限制DC/DC转换调节器启动时浪涌电流的电路。浪涌电流限制电路可作为软启动。外部的SS引脚用来调节软启动的特殊应用。电流ISS影响外部软启动电容器CSS，软启动时间计算为：
该器件的关闭引脚可以用1.8 V或者更高的逻辑信号进行控制。如果不使用引脚的关闭功能，则应断开该引脚。关闭引脚的最大电压为7.5 V。如果由于系统或者其他方面的限制，关闭引脚需要使用更高的电压，则推荐在应用电压引脚和关闭引脚之间接一只100 kΩ或者更大阻值的电阻器来保护该功能。
4.2 需注意的问题
该器件有两个独立的接地引脚，PGND用于驱动器和升压式NMOS电源装置，AGND可灵敏模拟控制电路。AGND和PGND引脚应该直接连在一起。反馈和补偿网络应该直接连接到一个专门模拟地层，这个模拟地层必须连接至AGND引脚。如果没有模拟地层，反馈和补偿网络必须直接连接至AGND引脚。而将这些网络连接到PGND引脚会给系统增加噪声。输入旁路电容器CIN必须尽量靠近该器件放置，如图3所示。这有助予减少影响输入电压波纹的铜线阻抗。为了滤除额外输入电压，应将一只0.1μF~4.7μF的旁路电容器与CIN并联，尽量靠近VIN引脚，以抑制任何高频噪声。输出电容器COUT1和COUT2也应该靠近LM2717放置。对输出电容器COUTX的铜线连接能够增加连续阻抗，直接影响输出电压波纹。反馈网络的电阻器RFB1和RFB2应该尽量靠近FB引脚放置，远离电感，使增加系统噪声的铜线连接最短。电感和肖特基二极管的布线应该最短，以减少电源损耗并提高总体效率。
5 结束语
输出电压可调节的电源分配结构可以为系统的特殊应用集成电路及数字信号处理器提供稳压电源。美国国家半导体公司这款全新的双通道降压型DC/DC变换器不但具有高度的灵活性，而且性能卓越，是负载点结构采用的理想解决方案。
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