引言
在現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)與電源管理領(lǐng)域,隨著移動(dòng)設(shè)備、通信設(shè)備和工業(yè)設(shè)備等對(duì)高效率、小體積、高可靠性電源解決方案的需求不斷增長(zhǎng),各類同步降壓轉(zhuǎn)換器(Synchronous Buck Converter)應(yīng)運(yùn)而生。其中,MP8759作為Monolithic Power Systems(簡(jiǎn)稱MPS)推出的一款高性能、低待機(jī)電流、高電流輸出能力的同步整流降壓開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器,以其集成度高、效率優(yōu)異、外圍元件數(shù)量少、易于設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn),逐漸在消費(fèi)電子、通信、工業(yè)控制、電力管理等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文將對(duì)MP8759進(jìn)行深入、系統(tǒng)、全面的介紹,包括其基本概念、主要特點(diǎn)、引腳功能、工作原理、關(guān)鍵參數(shù)、外圍電路設(shè)計(jì)、控制與調(diào)節(jié)策略、應(yīng)用場(chǎng)景、性能優(yōu)勢(shì)與同類產(chǎn)品比較、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)及常見問(wèn)題分析等方面,力求為從事電源設(shè)計(jì)的工程師與技術(shù)人員提供一篇詳盡的技術(shù)參考。
一、MP8759概述
MP8759是一款由Monolithic Power Systems(MPS)推出的高性能、全集成同步整流降壓型開關(guān)模式電源(Switch-Mode Power Supply,SMPS)控制器,支持最高26V的輸入電壓,并能夠提供持續(xù)輸出電流8A、瞬時(shí)峰值輸出電流10A以上的能力。該器件內(nèi)部集成了低導(dǎo)通電阻(low RDS(ON))的高側(cè)和低側(cè)MOSFET,從而在實(shí)現(xiàn)高效率的同時(shí)大幅度簡(jiǎn)化了外部器件的選擇與布局?;贛PS自主研發(fā)的恒開通時(shí)間(Constant-On-Time,COT)控制算法,MP8759在輕負(fù)載與重負(fù)載條件下都能快速響應(yīng)負(fù)載瞬變,同時(shí)實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的負(fù)載和線路調(diào)節(jié)特性。其工作頻率通常在700kHz左右,使得外部電感和電容尺寸能夠進(jìn)一步縮小,整體方案具有體積小、效率高、易于設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。MP8759適用于包括通信基站、高端路由器、服務(wù)器、電動(dòng)工具、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備以及車載電子等領(lǐng)域,對(duì)空間受限但需要大電流輸出的應(yīng)用特別適合。
二、MP8759的主要特點(diǎn)
輸入電壓范圍寬:支持4.5V至26V的輸入電壓,能夠適應(yīng)從24V、12V、5V到3.3V等多種輸入場(chǎng)合。
輸出電流能力強(qiáng):內(nèi)部集成高側(cè)和低側(cè)MOSFET,持續(xù)輸出電流可達(dá)8A,瞬間峰值輸出電流可達(dá)10A以上,足以滿足多數(shù)中高功率模塊的供電需求。
高效節(jié)能:采用MPS專利的恒開通時(shí)間(COT)控制技術(shù),在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率(典型效率可達(dá)95%以上),尤其在輕負(fù)載時(shí)低待機(jī)電流(IQ)特性顯著。
恒開通時(shí)間控制:恒定的開通時(shí)間可帶來(lái)快速的負(fù)載瞬變響應(yīng),并簡(jiǎn)化環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì),無(wú)需外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)即可保持穩(wěn)定性。
同步整流結(jié)構(gòu):內(nèi)部集成同步整流MOSFET,降低整流損耗,提高效率,減少外部肖特基二極管的使用。
可調(diào)輸出電壓:輸出電壓可通過(guò)外部電阻分壓網(wǎng)絡(luò)精確設(shè)置,電壓范圍為0.6V至5.5V(取決于反饋電阻比),滿足多種電壓需求。
保護(hù)功能完善:具備過(guò)流保護(hù)(OCP)、過(guò)溫保護(hù)(OTP)、欠壓鎖定(UVLO)、過(guò)壓保護(hù)(OVP)等多重安全保護(hù)功能,提高系統(tǒng)可靠性。
小封裝:采用2mm×3mm的12引腳QFN封裝(12-PowerVFQFN),大幅節(jié)省PCB空間,適合對(duì)面積要求高的應(yīng)用場(chǎng)合。
少量外圍器件:僅需少數(shù)電感、電容、反饋電阻與電感選型組合,即可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且高性能的降壓方案,縮短開發(fā)周期。
三、MP8759引腳功能
MP8759在12-PowerVFQFN封裝中,詳細(xì)引腳功能如下:
VIN(引腳1)
作用:芯片電源輸入端,連接至外部輸入電壓。
特點(diǎn):支持輸入電壓范圍4.5V至26V,用于為內(nèi)部電路和內(nèi)部MOSFET提供驅(qū)動(dòng)電源。
SW(引腳2、3)
作用:開關(guān)輸出端,可驅(qū)動(dòng)外部功率電感與輸出電容。
特點(diǎn):內(nèi)部高側(cè)和低側(cè)MOSFET通過(guò)此引腳與負(fù)載及電感連接,負(fù)責(zé)開關(guān)切換,輸出至電感。
BOOT(引腳4)
作用:高側(cè)門極驅(qū)動(dòng)電源引腳,連接至高頻電容。
特點(diǎn):通過(guò)外部電容與SW引腳形成自舉電路,提供高側(cè)MOSFET門極驅(qū)動(dòng)電壓。
PHASE(引腳5、6)
作用:同步整流控制反饋引腳,用于測(cè)量和控制。
特點(diǎn):連接至電感的相位節(jié)點(diǎn),用于檢測(cè)電感電流方向,以實(shí)現(xiàn)同步整流或續(xù)流MOSFET操作。
VCC(引腳7)
作用:內(nèi)部邏輯電源引腳,為芯片核心和參考電路提供穩(wěn)定電源。
特點(diǎn):建議外部加一個(gè)大約4.7μF至10μF的穩(wěn)壓電容,濾除噪聲,保障內(nèi)部邏輯穩(wěn)定。
EN/UVLO(引腳8)
作用:芯片使能/欠壓鎖定輸入端,用于使能或禁用芯片。
特點(diǎn):當(dāng)EN電壓高于閾值(典型值1.2V)時(shí),芯片開啟并正常工作;當(dāng)EN低于關(guān)斷閾值時(shí),芯片進(jìn)入低功耗關(guān)斷模式,內(nèi)部MOSFET關(guān)閉。還提供欠壓鎖定功能,當(dāng)輸入電壓低于UVLO閾值時(shí),芯片自動(dòng)關(guān)閉。
FB(引腳9)
作用:輸出電壓反饋引腳,用于調(diào)節(jié)輸出電壓。
特點(diǎn):通過(guò)外部電阻將實(shí)際輸出電壓分壓后反饋給FB端,內(nèi)部參考電壓為0.6V,當(dāng)反饋電壓低于0.6V時(shí),芯片開啟高側(cè)MOSFET;當(dāng)反饋電壓高于0.6V時(shí),芯片關(guān)閉高側(cè)MOSFET,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)恒定輸出。
MODE(引腳10)
作用:模式選擇引腳,用于設(shè)定輕載模式或強(qiáng)制PWM模式。
特點(diǎn):將MODE拉高至邏輯高電平時(shí),芯片強(qiáng)制PWM開關(guān);將MODE拉低時(shí),芯片在輕載時(shí)進(jìn)入脈寬抑制模式,提高輕載效率;若不使用此功能,可將MODE懸空或接地。
PG(引腳11)
作用:電源良好輸出指示引腳,用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出狀態(tài)。
特點(diǎn):內(nèi)部集成開漏輸出,當(dāng)輸出電壓達(dá)到設(shè)定值85%以上時(shí),PG輸出導(dǎo)通,連接至外部上拉電阻;否則PG懸空或拉低,提示輸出異常。
AGND、PGND(引腳12/13)
作用:地引腳,用于將芯片模塊邏輯地與功率地隔離,降低噪聲干擾。
特點(diǎn):AGND用于連接參考地、邏輯地,PGND用于連接電感與開關(guān)回路地,布局時(shí)AGND和PGND應(yīng)在芯片底部短距離匯集,以減少環(huán)路噪聲。
四、MP8759工作原理
MP8759采用恒開通時(shí)間(Constant-On-Time,COT)控制策略,這一控制方式無(wú)需外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定的環(huán)路響應(yīng)。其基本工作機(jī)制如下:
反饋檢測(cè)與比較
外部電阻反饋網(wǎng)絡(luò)將降壓后的輸出電壓分壓至FB引腳,當(dāng)該分壓電壓低于內(nèi)部參考電壓(VREF = 0.6V)時(shí),內(nèi)部誤差比較器輸出一個(gè)開通指令;當(dāng)分壓電壓高于0.6V時(shí),則不發(fā)出開通指令。恒開通時(shí)間設(shè)定
一旦產(chǎn)生開通指令,高側(cè)MOSFET(HS-FET)被打開,通過(guò)SW引腳對(duì)外輸出通電,電感開始儲(chǔ)能。由于采用COT控制方式,HS-FET導(dǎo)通時(shí)間被設(shè)定為一個(gè)固定值,典型值由MP8759內(nèi)部電路根據(jù)輸入電壓與目標(biāo)輸出電壓自動(dòng)計(jì)算得出,大致為幾十到幾百納秒。這樣無(wú)論負(fù)載變化如何,導(dǎo)通時(shí)間恒定,環(huán)路具有快速瞬態(tài)響應(yīng)能力。斷電與同步整流
當(dāng)HS-FET導(dǎo)通時(shí)間到達(dá)設(shè)定值后,HS-FET關(guān)閉,同時(shí)低側(cè)MOSFET(LS-FET)自動(dòng)導(dǎo)通,電感中的電流通過(guò)LS-FET流向負(fù)載與地,實(shí)現(xiàn)同步續(xù)流。由于同步整流的導(dǎo)通電阻極低,極大地降低了續(xù)流階段的導(dǎo)通損耗,相對(duì)于傳統(tǒng)的肖特基二極管續(xù)流方式,效率更高。周期性重復(fù)
當(dāng)電感電流經(jīng)過(guò)LS-FET流向地,電感兩端電壓變?yōu)樨?fù)值時(shí),LS-FET會(huì)被關(guān)閉,等待下一次反饋比較結(jié)果。如果此時(shí)輸出電壓仍然低于設(shè)定值,下一周期繼續(xù)開啟HS-FET;否則保持等待直至FB低于0.6V,再度開啟。多種功能控制
使能/欠壓鎖定(EN/UVLO):當(dāng)EN端電壓高于使能閾值時(shí),芯片正常工作;若EN低于關(guān)斷閾值或輸入電壓低于UVLO設(shè)定值,芯片進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)。
輕載節(jié)能模式(Pulse-Skipping Mode):在輕載或無(wú)負(fù)載狀態(tài)下,如果將MODE引腳接地,MP8759將自動(dòng)進(jìn)入脈沖跳躍模式,只在需要時(shí)短暫開啟HS-FET,以維持輸出穩(wěn)定。這樣可降低輕載損耗與待機(jī)電流。
強(qiáng)制PWM模式(Forced PWM Mode):如果將MODE引腳拉高,MP8759在全負(fù)載范圍內(nèi)始終以固定頻率進(jìn)行PWM開關(guān),減小輸出紋波,但在輕載時(shí)效率略低。
電源良好監(jiān)測(cè)(PG):當(dāng)輸出電壓經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓濾波后達(dá)到設(shè)定設(shè)定值85%以上時(shí),PG引腳輸出高電平,否則輸出低電平或懸空,用于提醒系統(tǒng)進(jìn)行上電序列或其他控制邏輯。
過(guò)流保護(hù)(OCP):內(nèi)部集成過(guò)流檢測(cè)電路,當(dāng)電流超過(guò)設(shè)定閾值時(shí),立即關(guān)閉高側(cè)MOSFET并進(jìn)入失穩(wěn)模式或反復(fù)嘗試,保護(hù)芯片與外部電感、電容等不被損壞。
過(guò)溫保護(hù)(OTP):當(dāng)芯片內(nèi)部溫度超過(guò)安全閾值(約150°C)時(shí),內(nèi)部熱關(guān)斷電路觸發(fā),關(guān)閉高側(cè)MOSFET,防止器件因過(guò)熱而損壞。
綜上,MP8759依靠?jī)?nèi)部集成的COT控制器與低導(dǎo)通電阻MOSFET,結(jié)合完善的保護(hù)功能與靈活的輕載/強(qiáng)制PWM模式切換,保證在復(fù)雜電源環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定、可靠的降壓轉(zhuǎn)換。
五、MP8759的主要參數(shù)規(guī)格
為了便于工程師在設(shè)計(jì)時(shí)參考與比較,下表列出了MP8759的關(guān)鍵性能參數(shù)與典型指標(biāo):
輸入電壓范圍
最低:4.5V
最高:26V
輸出電壓調(diào)整范圍
0.6V 至 5.5V(通過(guò)外部電阻分壓網(wǎng)絡(luò)設(shè)置)
輸出電流能力
持續(xù)輸出電流:8A
峰值輸出電流:10A(短時(shí)間,取決于熱設(shè)計(jì)與散熱條件)
開關(guān)頻率
典型值:700kHz(恒開通時(shí)間控制,負(fù)載變化時(shí)頻率會(huì)微調(diào))
內(nèi)部MOSFET導(dǎo)通電阻(RDS(ON))
高側(cè)MOSFET:典型8mΩ(VGS=10V)
低側(cè)MOSFET:典型6mΩ(VGS=10V)
待機(jī)電流(Quiescent Current,IQ)
強(qiáng)制PWM模式:約1mA
脈沖跳躍模式:約50μA(輕載時(shí)進(jìn)入跳躍,降低待機(jī)功耗)
參考電壓
VREF(FB引腳參考電壓):0.6V ±1.5%
輸出電壓精度
±1.5%(在25°C時(shí))
過(guò)流保護(hù)閾值
典型值:10A(電流檢測(cè)點(diǎn)為低側(cè)MOSFET電流,經(jīng)過(guò)一次修正)
過(guò)溫保護(hù)閾值
典型值:150°C ±15°C
切換模式
恒開通時(shí)間(COT)控制
強(qiáng)制PWM模式/脈沖跳躍模式可選
封裝形式
12-PowerVFQFN,封裝尺寸:2mm × 3mm × 0.95mm
工作溫度范圍
典型:–40°C 至 +125°C(結(jié)溫)
效率
輸入12V,輸出5V,負(fù)載5A時(shí)效率可達(dá)93%
輸入12V,輸出1.2V,負(fù)載8A時(shí)效率可達(dá)95%
這些參數(shù)指標(biāo)在實(shí)際設(shè)計(jì)中會(huì)受到外部布局、PCB散熱、元器件選擇等因素影響。因此,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮輸入輸出電壓范圍、輸出電流需求、散熱條件、效率目標(biāo)等,合理選擇電感、電容及布線方式,以充分發(fā)揮MP8759的性能優(yōu)勢(shì)。
六、MP8759的外圍電路設(shè)計(jì)
在實(shí)際應(yīng)用中,合理設(shè)計(jì)MP8759的外圍電路不僅能保證穩(wěn)定性和可靠性,還能最大化芯片的效率與性能。以下從輸入電容、輸出電感與電容、反饋網(wǎng)絡(luò)、自舉電路、PCB布局等角度進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
輸入電容設(shè)計(jì)
MP8759對(duì)輸入電源品質(zhì)要求較高,尤其在500kHz至1MHz的開關(guān)頻率范圍內(nèi),輸入電容需能夠有效濾除高頻開關(guān)噪聲與瞬態(tài)電流。在輸入電容選型上,通常采用組合方案,即在靠近VIN引腳位置放置一只10μF至22μF的陶瓷電容(X5R或X7R,以保證溫度穩(wěn)定性和容值穩(wěn)定)用于濾除中低頻噪聲,再并聯(lián)一只0.1μF至0.47μF的小容量陶瓷電容用于抑制高頻尖峰。輸入電容的耐壓應(yīng)選擇至少35V或更高,以保證在26V輸入的情況下具備足夠裕度。輸出電感與輸出電容設(shè)計(jì)
需求:電容需具備足夠的容值和低等效串聯(lián)電阻(ESR),以保證輸出電壓紋波和瞬態(tài)響應(yīng)性能。
選型:推薦在輸出端并聯(lián)一只10μF至22μF的陶瓷電容(電壓等級(jí)依據(jù)輸出電壓,一般選擇6.3V至10V以上的電容),再并聯(lián)一只22μF至47μF的鉭電容或固態(tài)電容,以提升中低頻濾波性能。所選陶瓷電容應(yīng)為X5R或X7R材質(zhì),電容衰減特性較小。
需求:在700kHz左右的開關(guān)頻率下,輸出電感需提供合適的電感量與電流承載能力,以實(shí)現(xiàn)所需的輸出電流和紋波電流指標(biāo)。
選型:推薦電感值一般在0.47μH至1.2μH范圍,電感飽和電流需大于或等于輸出峰值電流(即≥10A)。常見選擇如:0.68μH、1.0μH的高飽和電流功率電感。電感直流電阻(DCR)越低,對(duì)效率提升越有幫助。
輸出電感
輸出電容
反饋電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
MP8759通過(guò)FB引腳檢測(cè)輸出電壓與0.6V內(nèi)部參考進(jìn)行比較,根據(jù)反饋電阻比來(lái)設(shè)定輸出電壓。常見輸出電壓設(shè)定公式如下:
VOUT=0.6V×(1+RBOTTOMRTOP)
其中R_TOP連接在輸出與FB之間,R_BOTTOM連接在FB與地之間。為保證穩(wěn)定性與溫度特性,建議選擇溫度系數(shù)為±1%或±0.5%的金屬膜電阻;R_BOTTOM一般選在10kΩ至20kΩ范圍,以兼顧分壓精度與FB端電流影響。若需要實(shí)現(xiàn)“軟啟動(dòng)”、“輸出電壓跟蹤”或“功率路徑切換”等功能,可在反饋網(wǎng)絡(luò)中并聯(lián)外部開關(guān)或電阻分組。自舉電容與BOOT引腳設(shè)計(jì)
MP8759在高側(cè)MOSFET驅(qū)動(dòng)時(shí),需要自舉電容為門極提供高于輸入電壓的驅(qū)動(dòng)電壓。典型自舉電容為0.01μF至0.1μF的耐壓電容(50V),陶瓷或薄膜電容皆可。自舉電路一般連接方式如下:BOOT引腳通過(guò)一只自舉二極管與輸入VIN相連,同時(shí)并聯(lián)一個(gè)電容至SW引腳。需保證自舉電容與BOOT引腳連接線盡量短,以減小寄生電感與寄生電阻帶來(lái)的損耗與振鈴。使能與模式選擇電路
使能(EN)端:通常直接與Vin相連,通過(guò)輸入電壓上電后自動(dòng)使能;若需要外部邏輯控制,可在EN端串聯(lián)一個(gè)上拉電阻至輸入電源,或通過(guò)MCU GPIO驅(qū)動(dòng)EN,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)控制。
模式(MODE)端:可根據(jù)設(shè)計(jì)需求,將其接地(選擇脈沖跳躍輕載模式,節(jié)省輕載功耗)或接高電平(強(qiáng)制PWM模式,獲得更低紋波);若需動(dòng)態(tài)切換,可通過(guò)MCU控制電平。
電源良好(PG)監(jiān)測(cè)電路
PG引腳為開漏輸出,僅提供低電平或高阻狀態(tài),因此必須外接一個(gè)上拉電阻(典型10kΩ至47kΩ)至外部參考電壓(如3.3V或5V),以拉起PG輸出。當(dāng)輸出電壓達(dá)到設(shè)定值85%以上時(shí),PG輸出高電平,否則拉低,可用于系統(tǒng)電源管理或指示LED。PCB布局與走線注意事項(xiàng)
為了確保高效率與良好的EMI性能,需要在PCB設(shè)計(jì)時(shí)遵循以下原則:開關(guān)回路最短:SW、HS-FET、LS-FET與電感、電容之間的回路應(yīng)盡可能短且寬,降低寄生電感與寄生電阻。
地層分割:將AGND與PGND在芯片底部合并,并在芯片旁設(shè)過(guò)孔將兩者在底層匯聚,確保模擬地與功率地分開,避免噪聲回流至FB、COMP等敏感節(jié)點(diǎn)。
輸入電容放置:輸入電容應(yīng)盡量靠近VIN與PGND引腳放置,以形成低阻低感的高頻旁路路徑。
輸出電容和電感放置:輸出電感與輸出電容盡量靠近芯片SW與FB引腳擺放,以保證采樣電壓準(zhǔn)確并減少紋波。
自舉電容與BOOT走線:自舉電容應(yīng)緊貼芯片BOOT與SW引腳走線,避免跨過(guò)噪聲敏感區(qū)。
熱散設(shè)計(jì):12-PowerVFQFN封裝具有底部散熱PAD,可通過(guò)在底層加大銅箔面積并打通過(guò)孔至散熱層,以提高PCB散熱能力。
七、MP8759的控制與調(diào)節(jié)策略
MP8759內(nèi)部采用恒開通時(shí)間(COT)控制技術(shù),其特點(diǎn)是在每個(gè)開關(guān)周期中對(duì)高側(cè)MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間進(jìn)行固定設(shè)定,然后依據(jù)反饋電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)機(jī)的快速調(diào)整。相較于傳統(tǒng)電壓模式(Voltage Mode)或電流模式(Current Mode)控制,COT具有以下優(yōu)勢(shì):
瞬態(tài)響應(yīng)快
恒定導(dǎo)通時(shí)間使環(huán)路在負(fù)載變化、輸入電壓變化時(shí)能夠快速做出響應(yīng),不需要復(fù)雜的外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),大幅縮短環(huán)路的調(diào)整時(shí)間。例如,當(dāng)負(fù)載瞬時(shí)增大時(shí),輸出電壓下降,使得FB電壓快速低于0.6V閾值,下一開關(guān)周期立即開啟高側(cè)MOSFET,增加電感電流以補(bǔ)償輸出,整個(gè)轉(zhuǎn)換器能夠在幾百納秒至微秒級(jí)別內(nèi)完成調(diào)整。簡(jiǎn)化補(bǔ)償設(shè)計(jì)
由于采用基于采樣輸出電壓與反饋參考的直接比較方式,無(wú)需像電流模式或電壓模式那樣外加誤差放大器與補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),減少了PCB元件數(shù)量以及設(shè)計(jì)難度,提高設(shè)計(jì)一致性。設(shè)計(jì)工程師只需配置合適的電感值與輸出電容即可獲得相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)路。負(fù)載依賴性小
在不同負(fù)載條件下,COT控制方式保持恒定的導(dǎo)通時(shí)間,使輸出紋波頻率相對(duì)穩(wěn)定,不會(huì)因負(fù)載電流大小而導(dǎo)致頻率大幅波動(dòng),這對(duì)電磁兼容(EMC)設(shè)計(jì)更為有利。輕載與重載模式切換
MP8759具有MODE引腳,用于動(dòng)態(tài)選擇輕載脈沖跳躍模式或強(qiáng)制PWM模式:脈沖跳躍(Pulse-Skipping)模式:當(dāng)負(fù)載較輕或無(wú)負(fù)載時(shí),若將MODE接地,芯片僅在輸出電壓低于設(shè)定值時(shí)才進(jìn)行短暫的脈沖導(dǎo)通,以維持輸出電壓,減少不必要的開關(guān)損耗。此時(shí)平均頻率顯著降低,待機(jī)電流可減少到數(shù)十微安。
強(qiáng)制PWM模式:將MODE拉高后,MP8759在任何負(fù)載條件下均以固定周期進(jìn)行開關(guān)操作,使輸出紋波電壓的頻譜更加集中,有利于濾波器設(shè)計(jì)與EMC測(cè)試,但在輕載時(shí)效率較脈沖跳躍模式略低。設(shè)計(jì)者可根據(jù)應(yīng)用需求,通過(guò)GPIO或施加脈沖信號(hào)動(dòng)態(tài)切換兩種模式。
過(guò)載與短路保護(hù)策略
MP8759內(nèi)部集成過(guò)流檢測(cè)電路,通過(guò)采樣低側(cè)MOSFET電阻上的電流,并與內(nèi)部閾值進(jìn)行比較。當(dāng)輸出電流超過(guò)設(shè)定閾值(約10A)時(shí),立即關(guān)閉高側(cè)MOSFET進(jìn)入保護(hù),持續(xù)時(shí)間由內(nèi)部邏輯控制,防止芯片與外部器件過(guò)熱或損毀。設(shè)計(jì)時(shí)建議在低側(cè)與高側(cè)之間增加一個(gè)電流檢測(cè)電阻,以獲得更準(zhǔn)確的電流采樣,必要時(shí)可使用外部電流檢測(cè)芯片進(jìn)行輔助過(guò)流檢測(cè)與控制。熱保護(hù)機(jī)制
為保證在高環(huán)境溫度或高功耗條件下系統(tǒng)安全運(yùn)行,MP8759在內(nèi)部集成了熱關(guān)斷保護(hù)(Thermal Shutdown)模塊。當(dāng)芯片內(nèi)部溫度超過(guò)約150°C時(shí),觸發(fā)熱關(guān)斷,關(guān)閉高側(cè)MOSFET;待內(nèi)部溫度回落到安全范圍后,自動(dòng)重新開啟,周期性嘗試恢復(fù)工作。設(shè)計(jì)時(shí)需注意散熱,對(duì)PCB布局進(jìn)行合理的銅箔鋪設(shè)與過(guò)孔散熱,并在需要時(shí)增加散熱片或風(fēng)道,以保證芯片正常工作于額定環(huán)境溫度范圍內(nèi)。
八、MP8759的應(yīng)用領(lǐng)域
得益于其寬輸入范圍、高輸出電流、高效率、小體積等特點(diǎn),MP8759在多個(gè)行業(yè)和場(chǎng)景中得到廣泛應(yīng)用,主要包括但不限于以下幾類:
通信設(shè)備
在基站、交換機(jī)、路由器、光纖網(wǎng)絡(luò)終端等通信設(shè)備中,需要將輸入電壓(如48V、24V或12V)轉(zhuǎn)換為各類核心芯片所需的1.0V、1.2V、1.8V、2.5V、3.3V等多路電壓,MP8759可作為主力降壓方案。其高效率與快速瞬態(tài)響應(yīng)保障通信鏈路穩(wěn)定性與低功耗運(yùn)維。服務(wù)器與存儲(chǔ)
數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、云計(jì)算節(jié)點(diǎn)及存儲(chǔ)設(shè)備中,各種處理器、FPGA、ASIC及高速存儲(chǔ)模塊對(duì)電源的瞬態(tài)響應(yīng)與低紋波要求極高。MP8759提供8A持續(xù)電流,并可并聯(lián)多顆實(shí)現(xiàn)更高電流輸出,滿足高性能計(jì)算平臺(tái)的電源需求。工控與自動(dòng)化
工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備、PLC、工業(yè)PC、傳感器與執(zhí)行器常從24V或12V電源獲取直流電壓,MP8759可將這些電壓高效降壓為5V、3.3V或更低電壓,驅(qū)動(dòng)MCU、通信模塊、驅(qū)動(dòng)芯片等。優(yōu)異的EMI特性使其輕松通過(guò)工業(yè)級(jí)EMC測(cè)試。電動(dòng)工具與便攜設(shè)備
在電動(dòng)工具(如充電鉆、割草機(jī))以及便攜式醫(yī)療設(shè)備、電動(dòng)自行車控制器等領(lǐng)域,輸入電壓范圍常覆蓋12V至24V,且需提供大電流輸出。MP8759小體積并具備軟啟動(dòng)與過(guò)載保護(hù)功能,能夠有效滿足此類應(yīng)用對(duì)電源體積緊湊、高效率、高可靠性的需求。汽車電子
雖然MP8759本身未專門針對(duì)汽車級(jí)別進(jìn)行AEC-Q100認(rèn)證,但其寬輸入電壓特性(支持最高26V輸入)使其可應(yīng)用于車載通信模塊、車載娛樂(lè)系統(tǒng)、攝像頭控制單元等非關(guān)鍵安全部件的電源設(shè)計(jì)。若需滿足車規(guī)級(jí)需求,可選擇MPS旗下經(jīng)汽車級(jí)認(rèn)證的同步降壓系列產(chǎn)品。消費(fèi)電子
在筆記本電腦、平板電腦、顯示器、機(jī)頂盒等消費(fèi)電子設(shè)備中,MP8759憑借小尺寸與高效能,能夠?yàn)楦黝怌PU、GPU、音頻解碼器、圖像處理器等芯片供電。其輕載跳躍模式在待機(jī)狀態(tài)下有效降低功耗,延長(zhǎng)設(shè)備續(xù)航。
九、MP8759的性能優(yōu)勢(shì)與同類產(chǎn)品比較
在市場(chǎng)上,與MP8759定位相近的,同為8A級(jí)同步降壓轉(zhuǎn)換器的器件不少。以下從效率、體積、外圍器件數(shù)量、待機(jī)電流、功能集成度等幾個(gè)方面,與部分同類器件進(jìn)行橫向比較,以幫助設(shè)計(jì)人員更好地理解MP8759的優(yōu)勢(shì)所在。
與傳統(tǒng)分立式MOSFET方案相比
傳統(tǒng)方案需外部選用高側(cè)與低側(cè)MOSFET、驅(qū)動(dòng)IC、肖特基二極管等器件,元器件數(shù)量多,設(shè)計(jì)復(fù)雜度高。
MP8759內(nèi)部集成高性能MOSFET與驅(qū)動(dòng)電路,僅需電感、電容與少量電阻,即可組成降壓模塊;體積更小,設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)潔,開發(fā)周期大大縮短。
與市場(chǎng)上同規(guī)格集成化降壓IC對(duì)比
車規(guī)級(jí)IC需滿足AEC-Q100 Grade 1標(biāo)準(zhǔn),MP8759未進(jìn)行汽車級(jí)認(rèn)證;若對(duì)車規(guī)級(jí)要求不高,可優(yōu)先考慮MP8759。
散熱與效率:GHI890可能略優(yōu)于MP8759,但體積與成本也相對(duì)更高;MP8759在通用級(jí)應(yīng)用中表現(xiàn)出色。
輸入范圍:若ABC1234輸入范圍僅支持3.5V至18V,MP8759支持4.5V至26V,能覆蓋更多應(yīng)用場(chǎng)合。
開關(guān)頻率:ABC1234頻率通常在500kHz~1MHz之間;MP8759典型700kHz,頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)更靈活。
待機(jī)電流:若ABC1234輕載待機(jī)電流約200μA,MP8759脈沖跳躍模式下待機(jī)電流僅約50μA,系統(tǒng)在待機(jī)狀態(tài)更省電。
外圍元件:ABC1234或許需要外部補(bǔ)償電容與補(bǔ)償電阻,增加設(shè)計(jì)復(fù)雜度;MP8759無(wú)需外部補(bǔ)償僅需選擇合適的電感與輸出電容。
與某品牌8A級(jí)降壓IC(如XYZ廠商ABC1234)比較:
與某品牌車規(guī)級(jí)8A降壓IC(如DEF廠商GHI890)比較:
與MPS自家其他系列產(chǎn)品對(duì)比
MP8761(8A, 18V):MP8761最大輸入電壓僅18V,適用于12V系統(tǒng);而MP8759最大輸入電壓26V,能夠在24V或更高電壓系統(tǒng)使用。
MP8756(6A, 26V):MP8756最大輸出電流僅6A;MP8759輸出電流可達(dá)8A,適合更高功率需求。
Thermal Performance(熱性能)
由于MP8759內(nèi)部MOSFET導(dǎo)通電阻低(HS:8mΩ,LS:6mΩ),在中高負(fù)載時(shí)效率更高,發(fā)熱更低,降低了散熱設(shè)計(jì)需求。
相比同功率級(jí)別其他IC,MP8759在相同負(fù)載條件下結(jié)溫更低,保證更長(zhǎng)壽命與更高可靠性。
綜合成本
MP8759整體方案成本較為經(jīng)濟(jì):元器件成本主要是芯片本身與電感、電容;與分立方案相比,物料與設(shè)計(jì)成本具備明顯優(yōu)勢(shì);與部分競(jìng)品IC相比,性價(jià)比突出。
綜上可見,MP8759憑借寬輸入范圍、高效率、低待機(jī)電流、簡(jiǎn)單外圍、集成度高及成本適中等多重優(yōu)勢(shì),使其在中高功率、多輸入場(chǎng)合的降壓設(shè)計(jì)中具備顯著競(jìng)爭(zhēng)力。
十、MP8759的設(shè)計(jì)案例與典型電路
為了更加直觀地展現(xiàn)MP8759在實(shí)際設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,下面以一個(gè)典型輸入12V,輸出5V/5A的設(shè)計(jì)為例,闡述關(guān)鍵元件選型、公式計(jì)算與布局建議。
需求與參數(shù)設(shè)定
輸入電壓:12V(穩(wěn)壓電源或電池組)
輸出電壓:5V
輸出電流:最大5A,留有一定裕度(MP8759可提供8A持續(xù)輸出)
工作溫度:–40°C至85°C
效率目標(biāo):≥90%
反饋電阻計(jì)算
輸出電壓與反饋參考電壓(0.6V)關(guān)系:
5V=0.6V×(1+RBOTTOMRTOP)
令R_BOTTOM = 10kΩ,則:
1+10kΩRTOP=0.6V5V=8.333
10kΩRTOP=7.333
RTOP=73.33kΩ
取標(biāo)準(zhǔn)阻值R_TOP = 75kΩ(0.6%誤差),R_BOTTOM = 10kΩ,兩者組合輸出電壓誤差約為 ±1.5%。輸出電感選型
目標(biāo)開關(guān)頻率約700kHz,輸出電流取最大5A,假設(shè)需要電感不出現(xiàn)過(guò)度飽和且紋波電流控制在約20%輸出電流(即1A峰-峰)。因此,根據(jù)公式:
ΔIL=L×fSW(VIN?VOUT)×D
其中D為占空比,近似D = V_OUT/V_IN = 5/12 ≈ 0.417;f_SW = 700kHz;設(shè)ΔI_L = 1A,則:
L=1A×700kHz(12V?5V)×0.417≈700kHz7V×0.417=700kHz2.919V≈4.17μH
由于該數(shù)值較大,一般工程上會(huì)適當(dāng)降低電感值并接受稍高電流紋波。若選用1.0μH電感,則:
ΔIL=1.0μH×700kHz7V×0.417≈4.17A
4.17A的電感峰-峰紋波較大,但在8A輸出時(shí)還可接受,且可通過(guò)后續(xù)輸出電容與布局優(yōu)化降低輸出紋波。若要求紋波電流小于1.2A,可選用3.3μH電感,但磁芯體積與成本較高。綜合考慮,可選用1.0μH、飽和電流≥10A、DCR≤5mΩ的功率電感,并通過(guò)并聯(lián)足夠的輸出電容降低電壓紋波。輸出電容選型
ESR項(xiàng):4.17A × 2.5mΩ ≈ 10.4mV(峰-峰)
電容項(xiàng):4.17A / (8 × 144μF × 700kHz) ≈ 4.17 / (8 × 0.000144 × 700000) ≈ 6.49mV(峰-峰)
總紋波:≈ 16.9mV(峰-峰),滿足大多數(shù)5V/5A電源需求。
輸出電容需滿足紋波電壓與瞬態(tài)性能,其中陶瓷電容放置在靠近芯片F(xiàn)B和電感輸出端處,提供高頻濾波;鉭電容或固態(tài)聚合物電容放置于外圍,提供中低頻儲(chǔ)能。
選型方案:并聯(lián)兩只22μF/10V X5R陶瓷電容(如0805封裝)、并聯(lián)一只100μF/10V固態(tài)電解電容,以保證當(dāng)負(fù)載突變時(shí)能夠快速響應(yīng)并抑制輸出電壓下陷。
輸出紋波電壓計(jì)算(粗略):
ΔVOUT=ΔIL×(2ESR)+8×C×fSWΔIL
取ESR合并后約5mΩ,ΔI_L ≈4.17A,C_total ≈ (2 × 22μF + 100μF) ≈ 144μF,則:輸入電容放置
在VIN與PGND之間放置一只22μF/35V X5R陶瓷電容,旁邊并聯(lián)一只0.1μF/50V陶瓷電容,以濾除高頻開關(guān)噪聲。
兩只電容應(yīng)盡量靠近芯片VIN與PGND引腳放置,使回流路徑短且面積小。
自舉電容與肖特基二極管
選擇一只0.047μF/50V的X5R陶瓷電容作為自舉電容,連接在BOOT與SW引腳之間。
自舉二極管選用耐壓30V以上、快速恢復(fù)肖特基二極管(如SS14),連接在VIN與BOOT引腳之間,負(fù)責(zé)給BOOT電容充電。
熱設(shè)計(jì)與散熱布局
12-PowerVFQFN封裝底部有熱沉Pad,應(yīng)在PCB底層將該P(yáng)ad打通大面積的散熱銅箔,并通過(guò)多顆大直徑通孔與多個(gè)散熱層相連,形成熱沉網(wǎng)絡(luò)。
在功率電感與芯片周圍保持足夠空氣對(duì)流空間,必要時(shí)可增加散熱片或風(fēng)扇。
PCB走線與布局示意
開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SW、PHASE)走線:短且寬,連接電感與輸出電容。
輸入旁路網(wǎng)絡(luò):VIN與PGND直接連接陶瓷電容,盡可能靠近芯片引腳。
反饋網(wǎng)絡(luò):R_TOP、R_BOTTOM走線盡量靠近FB端,并避開高頻噪聲區(qū)。
地平面規(guī)劃:AGND與PGND應(yīng)在芯片底部匯合,盡快與大面積地平面相連;敏感信號(hào)地(FB、EN、PG)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離高頻噪聲源。
自舉電路走線:BOOT與自舉電容盡量靠近芯片連接,減少寄生感阻。
典型電路圖示
in ---+-----+----------------------+----------------+
| | | |
| C1=22μF | R_TOP=75kΩ
D1(SS14) +---+---+ |
| | | MP8759 |-----+--- FB 引腳
Vcc +--+ C2=0.1μF +-|12QFN | |
| | Boot Cap=0.047μF | 芯片 | R_BOTTOM=10kΩ
EN | SW▲ GND-|引腳 | |
| | +--+引出腳| |
PG (開漏) GND | AGND | GND
PGND |
| |
L1=1μH C3=22μF || C4=22μF || C5=100μF
| +----+----+------+
v 輔助鉭或固態(tài)電容
Vout=5V其中,C1、C2為輸入濾波,D1與BootCap構(gòu)成自舉電路,L1為功率電感,C3、C4、C5為輸出濾波電容,R_TOP與R_BOTTOM構(gòu)成反饋分壓。EN端可直接連接Vin,通過(guò)上電使能;PG外接10kΩ上拉至系統(tǒng)邏輯電壓,用于輸出電源良好指示。
通過(guò)上述元件選型與布局示例,可幫助設(shè)計(jì)人員快速搭建一個(gè)輸入12V輸出5V/5A的MP8759降壓方案,并根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整參數(shù)。
十一、MP8759的應(yīng)用案例分析
為了更好地理解MP8759在不同場(chǎng)景下的實(shí)際表現(xiàn),下面以三個(gè)典型應(yīng)用案例進(jìn)行分析:通信基站電源、工業(yè)自動(dòng)化模塊電源以及便攜式醫(yī)療設(shè)備電源。
通信基站電源
由于基站功率較高,且需要長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作,設(shè)計(jì)時(shí)需選用多個(gè)MP8759并聯(lián)或配合多相方案,實(shí)現(xiàn)更高輸出電流與更低紋波。同相位多路并聯(lián)需要在引腳、相位與補(bǔ)償策略上進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。
高頻噪聲對(duì)射頻模塊影響較大,因此需在輸入端與輸出端設(shè)置足夠的濾波與屏蔽,遵循嚴(yán)格的PCB分區(qū)設(shè)計(jì),將開關(guān)噪聲源與敏感射頻路徑隔離。
由于工作環(huán)境溫度較高,需要在基板上鋪設(shè)大面積散熱銅箔,并增加風(fēng)扇或散熱片,確保MP8759穩(wěn)定工作。
應(yīng)用背景:現(xiàn)代通信基站中,基帶處理單元(BBU)或射頻模塊需要多路電壓,如1.2V、1.8V、3.3V、5V等。輸入通常為48V直流,經(jīng)過(guò)前級(jí)降壓至12V或24V后,再由MP8759等同步降壓模塊供給各次級(jí)。
設(shè)計(jì)要點(diǎn):
性能評(píng)價(jià):在輸入48V先降至24V,再通過(guò)兩顆并聯(lián)的MP8759將24V降至5V輸出用于驅(qū)動(dòng)幾路負(fù)載時(shí),典型效率可達(dá)90%以上,負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)優(yōu)異,符合基站對(duì)于穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)性能的嚴(yán)苛要求。
工業(yè)自動(dòng)化模塊電源
需在PCB上進(jìn)行EMI分區(qū),將輸入線路濾波與開關(guān)電源區(qū)隔開,使用共模電感與差模電容對(duì)輸入進(jìn)行濾波;輸出端也需設(shè)置LC濾波器以滿足工業(yè)EMI標(biāo)準(zhǔn)。
采用MODE引腳配置脈沖跳躍模式,以在輕載或待機(jī)時(shí)減少噪聲;在關(guān)鍵運(yùn)行狀態(tài)下可切換至強(qiáng)制PWM模式,保持輸出紋波頻率穩(wěn)定,并利于EMI濾波器設(shè)計(jì)。
強(qiáng)制采用高溫環(huán)境下耐溫性能優(yōu)異的陶瓷電容與低DCR電感,確保長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。散熱設(shè)計(jì)方面,在底層鋪設(shè)大面積銅箔并添加熱過(guò)孔,以提高散熱能力。
應(yīng)用背景:PLC控制模塊、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)等工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備通常工作在24V直流總線下,需要產(chǎn)生5V或3.3V供給邏輯與接口芯片。此類應(yīng)用對(duì)抗干擾能力與EMC指標(biāo)要求較高,且需經(jīng)受寬溫度范圍的考驗(yàn)。
設(shè)計(jì)要點(diǎn):
性能評(píng)價(jià):在工業(yè)級(jí)測(cè)試環(huán)境下,MP8759能夠穩(wěn)定工作于–40°C至+85°C范圍,對(duì)電壓瞬變與輸出負(fù)載變化具有出色的抑制能力,滿足工業(yè)4.0、高速通信與伺服控制對(duì)電源品質(zhì)的要求。
便攜式醫(yī)療設(shè)備電源
由于空間受限,必須采用小尺寸、高效能降壓方案。MP8759的2mm×3mm QFN封裝加之高達(dá)8A的持續(xù)輸出,能夠在狹小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大電流供給。
為減少噪聲對(duì)測(cè)量精度的影響,需要在輸出濾波端級(jí)聯(lián)多個(gè)低ESR陶瓷電容與π型濾波器,以極大壓低開關(guān)紋波與高頻噪聲。
采用脈沖跳躍模式以在低功耗待機(jī)或輕載模式下降低功耗,配合待機(jī)管理電路,使整機(jī)待機(jī)電流維持在微安級(jí)。
由于涉及人體使用,需要選用醫(yī)療級(jí)元器件并進(jìn)行嚴(yán)格的電氣隔離與抗漏電保護(hù)設(shè)計(jì)。MP8759需與隔離型驅(qū)動(dòng)或DC-DC隔離模塊配合使用,以保證患者安全。
應(yīng)用背景:手持式超聲儀、便攜式心電監(jiān)護(hù)儀等醫(yī)療設(shè)備對(duì)電源噪聲與紋波要求極高,且需實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航與高可靠性。
設(shè)計(jì)要點(diǎn):
性能評(píng)價(jià):在典型便攜醫(yī)療場(chǎng)景中,MP8759與適當(dāng)?shù)母綦x與濾波方案組合,可實(shí)現(xiàn)超過(guò)90%的轉(zhuǎn)換效率,同時(shí)滿足輸出電壓穩(wěn)定性和低紋波電流需求,保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行。
十二、MP8759的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)與常見問(wèn)題
在將MP8759應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品中時(shí),常會(huì)遇到一些設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)與故障排查問(wèn)題。以下匯總常見注意事項(xiàng)與對(duì)應(yīng)的排查思路,幫助設(shè)計(jì)人員快速解決問(wèn)題,提高設(shè)計(jì)效率。
輸出電壓不足或不穩(wěn)定
確認(rèn)反饋電阻數(shù)值與連接,使用萬(wàn)用表測(cè)量FB引腳電壓是否接近0.6V;
將FB引腳走線盡量靠近芯片,并添加適量的地平面屏蔽;
更換輸出電感為額定電流更高、磁芯材質(zhì)更好的型號(hào);
檢查輸入電壓與EN引腳電平,確保超過(guò)UVLO與EN閾值;
嘗試將MODE設(shè)置為強(qiáng)制PWM模式,觀察輸出是否穩(wěn)定;
反饋電阻計(jì)算或連接錯(cuò)誤,導(dǎo)致反饋電壓偏離設(shè)定值;
FB引腳周圍布線長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng),受到開關(guān)噪聲干擾;
輸出電感飽和,無(wú)法維持穩(wěn)定電感量;
輸入電壓過(guò)低或EN引腳未完全拉高;
MODE引腳設(shè)置不當(dāng),導(dǎo)致輕載時(shí)PWM停止,引起輸出抖動(dòng)。
可能原因:
排查建議:
過(guò)熱與散熱不足
在PCB底層與內(nèi)部增加過(guò)孔,通過(guò)多層銅箔將熱量導(dǎo)至其他層,以增大散熱面積;
選用低DCR的功率電感與低ESR的輸出電容;
測(cè)量芯片溫度,確認(rèn)是否超過(guò)額定結(jié)溫,如有必要在芯片頂部加裝散熱片或風(fēng)扇;
檢查電流是否超出8A持續(xù)輸出,減少輸出負(fù)載或并聯(lián)多顆芯片分擔(dān);
PCB未充分考慮熱設(shè)計(jì),散熱銅面積過(guò)??;
電感或輸出電容ESR過(guò)高,導(dǎo)致熱損耗集中;
輸入輸出電流遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值,產(chǎn)生過(guò)高功耗;
器件選擇不當(dāng),如選用RDS(ON)較高的替代型號(hào);
可能原因:
排查建議:
開關(guān)噪聲與EMI干擾
確保SW、BOOT、PHASE等開關(guān)節(jié)點(diǎn)走線盡可能短且寬;
在輸入端加裝漏感或LC濾波器;在輸出端增加π型濾波或共模電感;
在自舉電容引腳附近加小電感或RC吸收網(wǎng)絡(luò),抑制振鈴;
在器件四周劃分開關(guān)區(qū)與模擬區(qū),敏感信號(hào)線與噪聲信號(hào)線分離;
PCB布局開關(guān)節(jié)點(diǎn)走線過(guò)長(zhǎng)、回流路徑不合理;
輸入與輸出濾波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)欠佳,導(dǎo)致高頻噪聲泄露;
自舉電容與二極管走線不緊湊,引起振鈴與輻射;
沒(méi)有在輸出端增加足夠的LC濾波或EMI濾波器。
可能原因:
排查建議:
過(guò)流保護(hù)頻繁觸發(fā)
檢查輸出回路是否存在短路或負(fù)載異常;
在輸出端串聯(lián)限流電阻或使用軟啟動(dòng)電路,限制浪涌電流;
驗(yàn)證環(huán)境溫度是否過(guò)高,降低工作溫度或改進(jìn)散熱;
如確實(shí)需要更高峰值電流,可并聯(lián)兩顆MP8759或選用8A及以上更大電流等級(jí)芯片;
輸出過(guò)載或短路;
低側(cè)MOSFET溫度過(guò)高,電阻增大,電流檢測(cè)誤差;
外部浪涌電流過(guò)大,例如電容過(guò)度充電瞬時(shí)峰值;
可能原因:
排查建議:
使能與電源良好(PG)異常
確認(rèn)EN引腳是否接至正確電源或控制信號(hào),測(cè)量EN電平是否高于1.2V;
給PG引腳連接適當(dāng)阻值(10kΩ至47kΩ)的上拉電阻至系統(tǒng)邏輯電源;
測(cè)量輸出電壓,驗(yàn)證其是否已達(dá)到85%以上,確保PG狀態(tài)正確反饋;
EN引腳電平未達(dá)到閾值,芯片未進(jìn)入正常工作狀態(tài);
PG引腳外部上拉未連接或上拉電阻過(guò)大,導(dǎo)致PG無(wú)法拉高;
PG閾值與實(shí)際輸出電壓偏差,觸發(fā)時(shí)機(jī)不準(zhǔn)確;
可能原因:
排查建議:
通過(guò)以上注意事項(xiàng)與排查思路,可以在設(shè)計(jì)與調(diào)試過(guò)程中快速定位問(wèn)題,提高效率和產(chǎn)品可靠性。
十三、MP8759與系統(tǒng)級(jí)電源管理的集成
在一些復(fù)雜系統(tǒng)中,單顆MP8759往往需要與其他電源管理芯片(PMIC)、冗余電源切換方案、以及數(shù)字電源監(jiān)控與管理單元(DPM)協(xié)同工作,從而構(gòu)建一個(gè)具備多路輸出、可編程、可監(jiān)控的電源系統(tǒng)。以下介紹幾種常見的系統(tǒng)級(jí)集成方案,以幫助工程師進(jìn)行更高層次的電源架構(gòu)設(shè)計(jì)。
多路并聯(lián)與輸出分配
多相并聯(lián)方案:當(dāng)單顆MP8759無(wú)法滿足系統(tǒng)輸出電流需求時(shí),可采用兩到四顆MP8759并聯(lián),將其同步工作,實(shí)現(xiàn)多相并聯(lián)。多相并聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)更快的瞬態(tài)響應(yīng),更低的輸出紋波,以及更高的整體效率。具體做法是將各顆芯片的EN、MODE、PG引腳并聯(lián),并將各自的PHASE節(jié)點(diǎn)分配合理的相位,使得開關(guān)相位差分布均勻。例如,兩相并聯(lián)可使相位差90°,四相并聯(lián)可使相位差45°,以減少輸入與輸出紋波。
多路分壓方案:在需要多路不同輸出電壓的場(chǎng)合,可采用一顆主控MP8759生成主輸出,再通過(guò)LDO或其他降壓芯片生成次級(jí)電壓。此種方案能夠保持主降壓環(huán)節(jié)高效率,同時(shí)次級(jí)電壓在輕負(fù)載或噪聲敏感場(chǎng)合下可使用LDO實(shí)現(xiàn)低紋波與低噪聲。
配合PMIC與數(shù)字電源管理
在高端服務(wù)器、通信核心設(shè)備等場(chǎng)合,常見將MP8759作為分布式電源模塊(Point-of-Load,POL)與更高層次的PMIC相結(jié)合。PMIC負(fù)責(zé)提供系統(tǒng)主控電壓(如1.8V、2.5V)以及多個(gè)可編程輸出;MP8759則用于提供大電流、低壓差(LDO無(wú)法高效工作的區(qū)域)的降壓通道。
數(shù)字電源管理單元(Digital Power Management Unit,DPM)可通過(guò)I2C或SMBus對(duì)PMIC與外部降壓模塊進(jìn)行監(jiān)控與配置,如在線測(cè)量輸出電壓、電流、溫度,實(shí)時(shí)調(diào)整輸出,并在異常時(shí)通過(guò)數(shù)字信號(hào)關(guān)閉輸出或改變模式,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)電源管理。
冗余與熱插拔設(shè)計(jì)
在通信機(jī)架或服務(wù)器機(jī)箱中,為保證系統(tǒng)冗余,可設(shè)計(jì)多路輸入電源(如A路和B路電源)。若一條輸入電源故障,可通過(guò)OR-ing二極管或理想二極管控制器自動(dòng)切換至另一條供電路徑,保持輸出不間斷。MP8759可與理想二極管控制IC、負(fù)載開關(guān)IC配合,實(shí)現(xiàn)冗余電源切換與過(guò)載保護(hù)功能。
對(duì)于支持熱插拔的系統(tǒng),需在MP8759輸入端添加軟啟動(dòng)電路與電流限制電路,防止在插拔過(guò)程中產(chǎn)生浪涌電流和電壓尖峰影響系統(tǒng)穩(wěn)定。同時(shí)在外部設(shè)置TVS二極管或浪涌吸收電路,保護(hù)MP8759和后端負(fù)載免受沖擊電壓影響。
電池供電場(chǎng)合
在UPS、電池備份系統(tǒng)或移動(dòng)電源等應(yīng)用時(shí),需要將電池(如12V或24V)電壓降至系統(tǒng)工作電壓(如5V、3.3V)。MP8759在寬輸入范圍(4.5V至26V)下都能穩(wěn)定工作,非常適合此類場(chǎng)合。
為延長(zhǎng)電池壽命與實(shí)現(xiàn)恒流恒壓充電,可將MP8759與專用充電管理芯片結(jié)合:充電管理芯片輸出恒壓或恒流至電池,MP8759將電池電壓穩(wěn)定降至系統(tǒng)所需電壓,二者配合可實(shí)現(xiàn)整個(gè)電源系統(tǒng)的高效管理與保護(hù)。
通過(guò)上述集成策略,MP8759不僅能作為單顆降壓模塊使用,還能在更復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)電源架構(gòu)中發(fā)揮重要作用,為整機(jī)提供可擴(kuò)展、高效、可靠的電源解決方案。
十四、常見問(wèn)題與解答
問(wèn):MP8759是否支持自動(dòng)頻率調(diào)節(jié)(自動(dòng)自適應(yīng)頻率)?
答:MP8759采用恒開通時(shí)間(COT)控制方式,因此在不同負(fù)載條件下開關(guān)頻率會(huì)根據(jù)占空比自動(dòng)微調(diào),但并非嚴(yán)格意義上的固定頻率模式。其典型開關(guān)頻率約為700kHz,但在滿載與輕載時(shí)會(huì)有所偏移,以實(shí)現(xiàn)最佳效率與瞬態(tài)響應(yīng)。問(wèn):如果要獲得更低輸出紋波,應(yīng)該如何優(yōu)化?
答:首先可選擇更大的輸出電感值(如1.5μH~2.2μH),降低電感電流紋波,但需要兼顧電感飽和與體積;其次可以并聯(lián)更多低ESR的陶瓷電容,進(jìn)一步降低電容紋波;同時(shí)可在輸出端添加一個(gè)RC或LC二階濾波器,但會(huì)犧牲部分動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。問(wèn):MP8759的輕載效率為何比強(qiáng)制PWM模式低?
答:因?yàn)閺?qiáng)制PWM模式下芯片以固定周期進(jìn)行開關(guān),占空比即使在輕載時(shí)也維持一定寬度,而脈沖跳躍模式會(huì)根據(jù)輸出需求跳過(guò)一些開關(guān)周期,從而降低導(dǎo)通與開關(guān)損耗,提高輕載效率。如果在強(qiáng)制PWM模式下,芯片一直保持高切換頻率,導(dǎo)致輕載時(shí)開關(guān)損耗相對(duì)較大,效率下降。問(wèn):如何實(shí)現(xiàn)多顆MP8759并聯(lián)以獲得更高輸出功率?
答:可采用多相并聯(lián)方式,通過(guò)將各個(gè)芯片的PHASE節(jié)點(diǎn)相位差分布相等,例如兩顆相位差90°、三顆相位差120°、四顆相位差45°,從而減小輸入與輸出紋波。在并聯(lián)設(shè)計(jì)中,需要將EN、MODE引腳并聯(lián),并保持反饋網(wǎng)絡(luò)一致;如需獨(dú)立反饋,可將每顆芯片的反饋網(wǎng)絡(luò)分別設(shè)置,但輸出點(diǎn)需并聯(lián),保證均流。問(wèn):當(dāng)輸入電壓突然斷電后再恢復(fù),如何避免輸出電壓過(guò)沖?
答:在輸入斷電恢復(fù)過(guò)程中,輸出電容可能通過(guò)寄生二極管或其他路徑向芯片反饋,導(dǎo)致FB電壓高于0.6V,出現(xiàn)MOSFET誤通,產(chǎn)生過(guò)沖??梢栽谳敵雠cFB之間串聯(lián)一個(gè)小阻值電阻,或在FB與地之間并聯(lián)一個(gè)肖特基二極管,使FB電壓不會(huì)超過(guò)參考值,防止過(guò)沖。問(wèn):MP8759適合單電源系統(tǒng)還是多電源系統(tǒng)?
答:MP8759輸入范圍寬(4.5V~26V),可滿足單一電源系統(tǒng)(如12V或24V)的需求,也可作為次級(jí)降壓模塊接在其他電源管理IC或隔離模塊之后,實(shí)現(xiàn)多級(jí)電源架構(gòu)。其優(yōu)勢(shì)在于靈活性強(qiáng),適合各種場(chǎng)合下的降壓轉(zhuǎn)換。
十五、總結(jié)
MP8759作為Monolithic Power Systems推出的一款高集成度、高效率、高電流輸出的同步降壓轉(zhuǎn)換器,憑借其寬輸入電壓范圍(4.5V至26V)、持續(xù)8A輸出電流能力、高達(dá)95%的轉(zhuǎn)換效率、低待機(jī)電流、完善的保護(hù)功能以及僅需少量外圍器件的優(yōu)勢(shì),已經(jīng)在通信、工控、消費(fèi)電子、汽車電子等多種領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。本文從MP8759的概述、主要特點(diǎn)、引腳功能、工作原理、關(guān)鍵參數(shù)、外圍電路設(shè)計(jì)、控制策略、應(yīng)用領(lǐng)域、性能優(yōu)勢(shì)比較、設(shè)計(jì)案例、系統(tǒng)集成方案、常見問(wèn)題與解答等方面進(jìn)行了全面、深入的介紹,旨在為電子設(shè)計(jì)工程師與技術(shù)人員提供一份詳盡的技術(shù)參考。
在實(shí)際設(shè)計(jì)中,合理選擇電感、電容與布局方式,配合正確的反饋與自舉電路設(shè)計(jì),可以充分發(fā)揮MP8759的性能優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)對(duì)各種電源需求的高效降壓轉(zhuǎn)換。同時(shí),通過(guò)并聯(lián)或多相并聯(lián)、與PMIC或數(shù)字電源管理單元集成,MP8759能夠作為系統(tǒng)級(jí)電源架構(gòu)的重要組成部分,為復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景提供穩(wěn)定、可靠的電源保障。
希望本文對(duì)MP8759的各方面內(nèi)容進(jìn)行了翔實(shí)且易于理解的闡述,幫助讀者更好地掌握該器件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)與應(yīng)用技巧,提升電源設(shè)計(jì)效率,打造更高性能、更可靠的電子系統(tǒng)。若需進(jìn)一步深入研究,可參考MP8759官方資料與應(yīng)用手冊(cè),結(jié)合實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。祝各位在電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得更大成功!