RT2702 是一款可在 -40℃ ~ +105℃ 的環境溫度范圍內工作的工業級 Buck 控制器,輸入電壓范圍為 4.5V ~ 19V,可以 1% 的精度輸出最低達 0.6V 的電壓。它所采用的控制架構是 FCOT,這個詞是 Flexible Constant On Time 的縮寫,由立锜自己定義。按照常識,Constant On Time(固定導通時間)控制架構的導通時間是固定的,因而其工作頻率會隨著輸入電壓、負載條件的不同而發生變化,但有了 Flexible 的修飾以后就有所不同了。
先來看看 RT1702 的內部框圖:
這里面沒有電壓模式、電流模式控制器里有的時鐘信號發生器,與導通時間有關的電路是被我涂了顏色的文字部分所代表的端子和小框,導通時間生成電路 TON Gen. 受從 TON 進入的信號影響,這個影響的來源要從下圖所示的應用電路中才能看到。
由圖可見,TON 是通過一只電阻 R2 連接到 VIN 上的,因此我們可以知道 TON 將與 VIN 有關。實際上,它們之間的關系是這樣的:
式中的 3.8p 代表的是 IC 內部集成的一個小電容,其容量為 3.8pF,RTON 就是上圖中的 R2,VOUT 是輸出電壓,這幾個數據對于一個應用來說都是固定值,唯一可以變化的就是 VIN 了,所以這個式子決定了 TON 和 VIN 之間的關系,它們之間基本上是成反比的。如果 VIN 已經確定,那么 TON 也就被確定了。
一個開關周期中的截止時間 TOFF 是如何確定的呢?對于 COT 架構來說,這是通過比較產生的,如下圖:
開關導通期間,電感電流上升;開關截止期間,電感電流下降。這個過程中的電流均值便是負載電流的大小,高出負載電流的電感電流將進入輸出電容,電感電流低于負載電流的部分則由輸出電容的儲能予以彌補,這一進一出之間就形成了輸出電壓上的紋波。紋波的另一部分是由進出輸出電容的電流在電容內阻 ESR 上形成的,它和前者一起形成了總的輸出電壓紋波,只要此紋波的底部觸及參考電壓 VREF,一次時長為 TON 的導通過程就會發生,以便電感電流可以增加,彌補輸出電壓的損失。由于輸出電壓紋波幅度相對輸出電壓來說非常小,所以可以認為輸出電壓是恒定不變的,而電感電流下降的這段截止時間正是由輸出電壓決定的,所以截止時間 TOFF 幾乎是不會發生變化的。當 TOFF 和 TON 都確定以后,工作頻率也就確定了。
對于Buck轉換器來說,它的占空比
所以有轉換器的工作頻率
這便是工作頻率的計算公式,由于 TON 由前述的 RTON 決定,所以它也間接確定了工作頻率,RT2702 容許的工作頻率范圍為 200kHz~1.2MHz。
以較高的頻率工作,DC/DC 轉換器所使用的電感、電容等外圍元件都可以比較小,環路帶寬可以很寬,高頻響應特性可以做得很好,可以適應快速變化的負載的需求,但是如果負載進入很輕的狀態,功率部分的開關損耗的占比就會顯得很大,RT2702 支持在這時候進入 ASM(Audio Skipping Mode) 以降低損耗、提高效率,這種模式下的工作頻率維持在人耳可以聞聽到的頻率范圍之外,因而不會帶來音頻干擾。
在上面摘錄的 RT2702 應用電路中出現了一個器件,名為 DrMOS,這是個什么東西呢?原來它是來源于 CPU 大王 Intel 在2004年給定的一個定義:Driver + MOSFET。
Driver + MOSFET,在一個普通的 Buck 轉換器中就如下圖中用紅線圍起來的部分:
此圖摘錄自 RTQ2823 的規格書,這是一款可在 -40℃ ~ +125℃ 環境溫度范圍內工作、工作電壓范圍為 4.5V~17V、負載能力為 8A 的 ACOT 架構 Buck 轉換器,工作頻率 400kHz、800kHz、1200kHz 可選。這樣的器件負載能力那么高,工作溫度范圍那么寬,又要能以那么高的頻率工作,設計上對于它的開關 MOSFET 的要求就會非常高,首先是導通內阻要很低,同時要求開關速度要很快,管子之間的引線、輸入輸出引線的阻抗都要非常低,封裝的散熱能力也要很好才行,這從下圖所示的封裝引腳布置上也能看出來:
圖中封裝信息部分標注的 FC 表明這顆 IC 使用了晶核倒裝的結構,前面的文章里已經說過,這是把晶核和封裝上的金屬支架直接焊接在一起才能實現的,是屬于降低阻抗、實現順利導熱的措施。
RTQ2823 以 8A 的負載能力就要這樣做,那些需要負載幾十 A、上百 A 電流的負載就需要更好的做法了,而 DrMOS 也就是因此產生的。下面就讓我們來看一下 Intel 在定義 DrMOS 時預定義的封裝及其引腳定義是如何做的,以便我們對它有一個很直觀的認識。
與之對應的原理框圖是這樣的:
這些引腳不需要在每一款 DrMOS 產品上都出現,但我們可以看到 Intel 把大量的引腳都分配給了大電流進出的幾個端子—— VIN、VSWH 和 PGND,芯片的底部還有大的裸露銅箔也是這幾個端子的引出點,這樣做的目的都是為了確保引線電阻是很低的、導熱能力是很好的,很大的開關電流在經過這些地方時也不至于造成很大的電磁兼容性問題。通過這樣的處理,與普通 MOSFET 相當的 DrMOS 可以用高幾倍的功率密度實現電源轉換,而熱性能、EMI性能還非常好。如果你上百度百科去看, DrMOS 這個詞還被某主板廠當作了發布廣告的機會予以使用,這使我再一次意識到人人可編輯的網頁資料其實也是蠻可怕的,給人的信任度打了很大的折扣,因為它的目的不是為了傳遞知識,而是為了商業利益。這世上只要有了利益,人們便可以不擇手段了。
由于 DrMOS 內部已經集成了 MOSFET Driver,我們在設計電源轉換控制器的時候便不需要再設計這部分,只需輸出 PWM 信號和其他的控制信號即可,而重點就轉向了控制器的其他部分,上面提到的 RT2702 也是如此,它具有一些很特別的能力,文章前面部分提及的只是其中的一點點而已,有興趣的不妨點擊文末的閱讀原文找出它的規格書來看看。由于 DrMOSv 規格多樣,最大的負載能力已達 50A,所以你使用 RT2702 與之配合便可達成這樣的輸出能力,稍后立锜還會提供加倍其能力的解決方案,有需求的讀者不妨等等看。
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