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關(guān)于ACOT 的運作原理和封裝極小的1A轉(zhuǎn)換器的性能分析和應(yīng)用

立錡科技 ? 來源:djl ? 2019-10-09 14:36 ? 次閱讀

最近注意到一款全新的器件 - RT5760,它的應(yīng)用電路非常簡單:

關(guān)于ACOT 的運作原理和封裝極小的1A轉(zhuǎn)換器的性能分析和應(yīng)用

讓我好奇的不是它的功能而是它的封裝 - SOT-563(FC),我過去沒有見過這個編號,所以就想知道它到底長成什么樣,下面就來看看我的發(fā)現(xiàn)是怎樣的。

關(guān)于ACOT 的運作原理和封裝極小的1A轉(zhuǎn)換器的性能分析和應(yīng)用

這是它的引腳布置,看起來和 SOT-23-6 差不多。

PCB 布局示范圖的時候感到很驚訝,因為它的寬度竟與旁邊的電阻長度差不多:

關(guān)于ACOT 的運作原理和封裝極小的1A轉(zhuǎn)換器的性能分析和應(yīng)用

再看封裝尺寸圖就知道它的真實尺寸了,其外圍尺寸中間值只有 1.6mmX1.6mm,與普通 SOT-23-6 封裝比起來確實是小多了。

關(guān)于ACOT 的運作原理和封裝極小的1A轉(zhuǎn)換器的性能分析和應(yīng)用

這個封裝雖然小,但在標準室溫條件下的功率耗散能力卻有 1W。

關(guān)于ACOT 的運作原理和封裝極小的1A轉(zhuǎn)換器的性能分析和應(yīng)用

能夠有這樣的散熱能力,應(yīng)該是拜晶核倒裝的結(jié)構(gòu)所賜,上面的信息中反復出現(xiàn)在括號中的 FC 就表示它是這種結(jié)構(gòu)。

那么這款器件的適用工作溫度范圍是多少呢?規(guī)格書提供的下述信息可以說明:

關(guān)于ACOT 的運作原理和封裝極小的1A轉(zhuǎn)換器的性能分析和應(yīng)用

只要結(jié)溫處于 -40℃ ~ 125℃,便可確保它能正常工作。

RT5760 的輸入電壓范圍為 2.5V~6V、輸出電壓范圍為 0.6V~VIN、負載能力為 1A,采用 ACOT 控制架構(gòu),具有極快的瞬態(tài)響應(yīng)速度和基本恒定的 2.2MHz 工作頻率,可以與低 ESR 的陶瓷輸出電容配合實現(xiàn)穩(wěn)定的工作而不需要使用外加的補償元件。它分為 A、B 的兩個不同型號,在輕載條件下,RT5760A 自動進入節(jié)能模式,RT5760B 則持續(xù)使用強制 PWM 模式工作,它們在負載電流很小的時候會表現(xiàn)出明顯的轉(zhuǎn)換效率差異:

關(guān)于ACOT 的運作原理和封裝極小的1A轉(zhuǎn)換器的性能分析和應(yīng)用

由上圖可見,無論輸入、輸出電壓如何變化,RT5760A 在負載電流為 1mA 時的轉(zhuǎn)換效率都在 80% 左右,RT5760B 在同樣條件下的轉(zhuǎn)換效率都低于 10%,這就是由工作模式的差異造成的不同。節(jié)能模式提高了效率,但輸出紋波會變大;強制 PWM 模式效率較差,但輸出特性會比較好,負責選型的工程師需要根據(jù)不同的需求選擇不同的型號。

上面介紹了關(guān)于器件的具體信息,下面來說說 ACOT 控制架構(gòu)是怎么回事。

ACOT 是 Advanced COT 的縮寫,意為對 COT 的改進,立锜將 ACOT注冊為商標,所以常常這樣表達它:ACOT。

COT 是 Constant On Time 的縮寫,意為固定導通時間。了解基本原理的人都知道,Buck 轉(zhuǎn)換器基本架構(gòu)是這樣的:

關(guān)于ACOT 的運作原理和封裝極小的1A轉(zhuǎn)換器的性能分析和應(yīng)用

上橋開關(guān) S1 導通的時候,輸入電壓施加到電感L和輸出電容 COUT 構(gòu)成的濾波器上,電流經(jīng)電感流入輸出電容造成輸出電壓上升,同時在電感中積累磁能,流過的電流越來越大。當 S1 截止的時候,電感電流還會繼續(xù)流動,下橋開關(guān) S2 里的體二極管首先導通為電流提供續(xù)流通道,Buck 控制器會盡快使 S2 導通以降低損耗,經(jīng)過一段時間以后,S2 截止,S1 重新導通,上述過程再重復進行。S1 和 S2 分別開關(guān)一次的這個時間段就是一個周期,S1 導通的時間在這一個周期中所占的比例便是電路工作的占空比。對于 Buck 轉(zhuǎn)換器來說,占空比就等過于輸出電壓與輸入電壓的比值,通過占空比的調(diào)節(jié)便可調(diào)節(jié)輸出電壓,這種調(diào)節(jié)方式便是脈沖寬度調(diào)制即 PWM 所表達的意思。

COT 意為恒定導通時間,它的意思是說 S1 每一次導通的時間是固定不變的,但每一次導通的發(fā)生是由反饋信號和參考電壓的比較決定的,控制系統(tǒng)一旦發(fā)現(xiàn)反饋信號低于參考電壓便觸發(fā)一次導通過程以便為輸出端提供能量,因而 S1 的截止時間是不確定的,它會根據(jù)輸入、輸出的狀況而發(fā)生變化。

關(guān)于ACOT 的運作原理和封裝極小的1A轉(zhuǎn)換器的性能分析和應(yīng)用

反饋系統(tǒng)一旦發(fā)現(xiàn)反饋信號低于參考電壓便會觸發(fā)一次導通過程的機制會帶來一個好處,可以把對負載的變化所帶來的對輸出電壓的影響盡快消除,因而具有極快的響應(yīng)速度。從感覺上看,這是一種非常直觀有效的反應(yīng)機制,但是它也有自己的不足,由于截止時間不確定,所以周期也不確定,因而工作頻率也是不確定的,這種狀況可能有的應(yīng)用不在乎,但有的應(yīng)用就不可以接受。作為改進了的 COT 架構(gòu),ACOT 控制架構(gòu)解決這個問題的辦法是在其控制系統(tǒng)中加入了測量實際工作頻率并與預設(shè)工作頻率進行比較的機制,比較的結(jié)果會用于實現(xiàn)對 S1 導通時間的調(diào)整,最終實現(xiàn)工作頻率幾乎不變的效果。這里說的不變是就穩(wěn)定情形而言的,負載或輸入發(fā)生動態(tài)變化的時候頻率還是會改變的,否則就不再是 COT 架構(gòu)了,但改變只在局部發(fā)生,不會影響全局。

關(guān)于ACOT 的運作原理和封裝極小的1A轉(zhuǎn)換器的性能分析和應(yīng)用

COT 架構(gòu)存在的另外一個問題出現(xiàn)在反饋信號上。從全局看,輸出電壓是平穩(wěn)的,因而反饋信號也是平穩(wěn)的,但在細節(jié)上看它們卻并不平穩(wěn),其中包含著大量的紋波,這是由電感電流、輸出電容、輸出電容中含有的等效串聯(lián)電阻ESR和負載等共同形成的。由于電容制作技術(shù)的進步,現(xiàn)今的陶瓷電容容量大、ESR 低,它們都會帶來輸出電壓紋波變小的結(jié)果,因而反饋信號中的交流成分也會變小,這樣就會導致反饋系統(tǒng)不能及時感知到輸出電壓變化的結(jié)果,這將導致 COT 控制中的不穩(wěn)定問題發(fā)生。

關(guān)于ACOT 的運作原理和封裝極小的1A轉(zhuǎn)換器的性能分析和應(yīng)用

ACOT 控制架構(gòu)解決這個問題的辦法是在內(nèi)部加入一個電感電流的模擬裝置,將它產(chǎn)生的信號與反饋信號疊加以后便增大了紋波信號的幅度,相當于可以提前知道后面會發(fā)生什么并加以預防,從而解決了這種由于陶瓷電容的 ESR 很低所帶來的問題,因而穩(wěn)定性能大大提升。

關(guān)于ACOT 的運作原理和封裝極小的1A轉(zhuǎn)換器的性能分析和應(yīng)用

上圖便是對 ACOT 控制架構(gòu)中所加入的改進措施的一個說明,有興趣者可以慢慢體悟。

本文介紹的產(chǎn)品是 RT5760,點擊文末的閱讀原文便可以很容易地找到它的規(guī)格書。缺少經(jīng)驗者在閱讀規(guī)格書并思考其參數(shù)的時候可能會看到一些自己不明白的地方,這時候你可以把這樣的問題提出來供我們討論。例如,你在規(guī)格書中可能看到這樣的內(nèi)容:

關(guān)于ACOT 的運作原理和封裝極小的1A轉(zhuǎn)換器的性能分析和應(yīng)用

為了盡快對輸出的變化作出響應(yīng),出現(xiàn)負載變化時的響應(yīng)時間就應(yīng)該盡可能地短,為什么還要加入一個最短截止時間呢?實際上,無論是 COT 或 ACOT,每一個導通時間之后都會加入一個禁止導通時間,這也被稱為最短截止時間。加入最短截止時間似乎是降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度,但由于大電流的轉(zhuǎn)換必然會導致一些噪聲的出現(xiàn),控制系統(tǒng)在此時做檢測并據(jù)此判斷就很容易出錯,經(jīng)過一段時間等這種變化的影響消除以后再做判斷就穩(wěn)妥多了,所以這實際上是非常必要的措施。那么問題又來了,80ns 的最短截止時間是否足夠呢?

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