高效率的降压变换器集成电路FA7743N
2010-02-23 10:55:37
来源：《磁性元件与电源》2010年2月刊
点击：1018
1 前言
近年来，随着平板电视为代表的数字化家电急速普及与产业市场的扩大，12~24V的降压变换器的需求正急速扩大。降压变换器必须适应产品高效率化、小型化、高可靠性、低输出电压化等要求。
为此，富士电机公司将输入电压45V、振荡频率400kHz、输出电流1.5A的电力MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）与PWM（脉宽调制）控制回路集成在一块芯片上。单芯片化降压非同步整流变换器IC（集成电路）已实现产品化。
这次，为满足市场要求，力图比原来机型更高效率化、高频率化、高可靠性化、低电压化，以及更进一步的削减外用部件，采用了45V耐压、通态电阻小的电力MOSFET，将这种高侧n沟道的MOSFET、相位补偿均装在内部，降压变换器IC(FA7743N)采用了电流模式控制和hicup操作，对这一高效高可靠性的产品，进行了开发，并介绍其概况如下。
2 产品的概要
图1为新近开发的FA7743N外观。电源的规格列于表1。
2.1 集成电路的特点
对于电源电路，力求实现高效率化、高可靠性化、低电压化以及削减结构部件数目等要求，新开发的集成电路(IC)具有以下特点：
(1)高效率化、小型化
装在降压变换器内部的开关元件，采用高侧n沟道的MOSFET，对比原用的P沟道MOSFET，面积可缩小，输入容量能降低。由此，可改善效率、实现高频操作，因而也适用于小型包装。
(2)部件数减少
将开关元件的电力—MOSFET内装于同一芯片内。此外，又将相位补偿，自持电路(bootstrap)用二极管装在芯片内，减少了外附部件的数目。
(3)可靠性
负荷短路时藉hicup操作，以停止输出及再起动，而且，万一整流用二极管脱落，一旦检测到便停止电源工作，因而避免了IC和电源电路受损。
(4)输出的低电压化
由于内部基准电压的低电压化，可设定输出电压直到1.0V，实现了负荷的低电压化。
(5) 对比原来的产品
表2所列为FA7743N与原来产品的比较。由表2可知，FA7743N已实现上述的特点。
2.2 操作说明
图2所示为内部的方框图，详述如下：
(1)恢复操作(enable)回路（ENB端子 on/off）
藉控制ENB端子的外部信号，能设定电源输出的起动、停止。停止时消耗的电流可抑制到10μA。
(2)软起动(SS)回路（SS端子，Solfstart）
这是起动时对DC-DC变换器回路中冲击电流和过高输出电压的抑制电路。将连接于误差放大器非反向输入的基准电压，藉SS端子从0V到0.8V缓慢地升高，以便实现抑制作用。这一操作只在接有SS端子的电容器才能使用，按照电容的大小可任意设定时间。
(3)误差放大器回路（IN端子，OTA）
非反向输入0.8±1%的基准电压，对反馈电源输出电压的IN端子，进行反向输入控制。相位补偿装于内部，且不设置误差放大器的输出端子。
(4)振荡器回路(Oscillator)
振荡频率为500kHz，由内装的电容和电阻，固定这一振荡频率。
(5)连续（置位）脉冲及hicup回路（SS端子，Solfstart，hicup Control）
对开关时流过高侧n沟道MOSFET的电流进行监视。当超过IC内部设定的每开关周期的电流值时，内装的置位脉冲(pulse by pulse)式过电流限制电路将停止开关的操作。而且，这一过电流状态连续发生至一定次数情况下，藉SS端子外附电容器的设定时间来终止开关操作。然后采用由软起动操作的再起动hicup式过电流限制电路，在内装的定时闭锁计数器设定时间内，重复这一连串操作，直到解除过电流状态。
在由定时闭锁停止开关之前，若连续开关操作，开关元件会过热，由于过电流状态的解除，而实现了防止开关元件过热的高可靠性。
(6)定时闭锁式输出短路保护回路(Timer latch SCP)
因电源回路的输出短路等，继续一定时间电压降低场合下，为了停止开关操作，内部装有定时闭锁式短路保护回路。反馈输出电压的IN端子电压，在0.6V以下状态继续65ms以上，则停止开关操作。这一定时闭锁的设定时间在电路内部已固定，藉定时闭锁停止开关操作以后，电源电压或ENB端子（由off-on操作）的再投入、再起动是可能的。
(7)低电压保护回路(UVLO)
该回路具有防止电源电压降低时回路误操作的功能。输入电压上升时在6.5V以下，下降时在5.5V以下，则停止开关的输出。
(8)过热保护回路(TSD)
该回路为监视IC操作中芯片的温度上升。145℃以上时，停止开关的输出电压下降；温度达到95℃时，藉助软起动，输出电压再起动。
3 应用电路实例
3.1 电路构成
图3所示为FA7743N应用电路的一例。输入、输出的电容器全部采用陶瓷电容器，以便实现小型化和高可靠性，内装一部分相位补偿，同时将高侧n沟道MOSFET驱动用二极管也装在内部，故可减少外附部件的数目，节省空间。
3.2 效率特性、负荷调节
图4为FA7743N输出电压设定为5V时的电源效率特性，最高效率达到90.7%。
图5为相同条件下输出电压与负荷电流的相互关系曲线。即使在负荷电流1.5A时仍具有最大-0.7%这样的良好特性。
3.3 软起动的电源起动
图6所示为FA7743N输出电压的起动波形，藉助软起动(SS)，输出电压(Vo)缓慢地升高到额定电压。这一软起动时间是一定的，与输入的电源电压无关。
3.4 hicup操作
图7所示为FA7743N输出电压某一时刻短路复位时的波形。连续置位脉冲(set pulse)的过电流保护，重复一定次数后停止开关操作。同时，接于SS端子的电容器开始放电。电容器放电后，在再充电、再放电操作期间，因输出短路解除，由软起动进行再起动的输出电压回复至额定电压。
3.5 定时闭锁停止
图8为FA7743N输出电压在定时闭锁时间以上继续短路的波形，输出短路后，定时闭锁时间计数期间由hicup进行间断的开关操作。因这期间输出短路并未解除，经过定时闭锁时间后停止开关操作，电压输出也停止。
由此，即使在继续短路场合下，也会安全的停止电源回路。
4 结束语
由于数字化家电的急速普及，以及用于通信与产业市场的不断扩大，作为这些机器的电源，今后将愈益转小型化、高效率化、高可靠性化的方向发展。
本文提出的1.5A输出降压变换器集成电路FA7743N，内部装有新近开发的Δ5V耐压n沟道MOSFET，该产品符合当前市场的各项性能要求，具有广阔的开发前景。
参考文献
[1] 大和 诚，山田谷 政幸，一岡 明， 高功率降压变换器IC“FA7743N”， 富士时报 vol.81， 2008. No6
[1] 藤井优孝， 米田 保， 1kW输出降压型DC-DC变换器IC 富士时报 vol.79， 2006. No5
附录：（图3中的元件明细表）
D1 二极管 SD863-%
L 线圈 22μH
CIN 陶瓷电容器 Δ7μF
C0 陶瓷电容器 10μF×2
C1 陶瓷电容器 220μF
C2 陶瓷电容器 1000pF
CR 陶瓷电容器 0.1μF
CV 陶瓷电容器 0.1μF CS 陶瓷电容器 0.022μF
CB 陶瓷电容器 0.1μF
R1 芯片电阻 51kΩ
R2 芯片电阻 1.5kΩ
R3 芯片电阻 10kΩ
R4 芯片电阻 1kΩ
R5 芯片电阻 680kΩ
R6 芯片电阻 22Ω
近年来，随着平板电视为代表的数字化家电急速普及与产业市场的扩大，12~24V的降压变换器的需求正急速扩大。降压变换器必须适应产品高效率化、小型化、高可靠性、低输出电压化等要求。
为此，富士电机公司将输入电压45V、振荡频率400kHz、输出电流1.5A的电力MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）与PWM（脉宽调制）控制回路集成在一块芯片上。单芯片化降压非同步整流变换器IC（集成电路）已实现产品化。
这次，为满足市场要求，力图比原来机型更高效率化、高频率化、高可靠性化、低电压化，以及更进一步的削减外用部件，采用了45V耐压、通态电阻小的电力MOSFET，将这种高侧n沟道的MOSFET、相位补偿均装在内部，降压变换器IC(FA7743N)采用了电流模式控制和hicup操作，对这一高效高可靠性的产品，进行了开发，并介绍其概况如下。
2 产品的概要
图1为新近开发的FA7743N外观。电源的规格列于表1。
2.1 集成电路的特点
对于电源电路，力求实现高效率化、高可靠性化、低电压化以及削减结构部件数目等要求，新开发的集成电路(IC)具有以下特点：
(1)高效率化、小型化
装在降压变换器内部的开关元件，采用高侧n沟道的MOSFET，对比原用的P沟道MOSFET，面积可缩小，输入容量能降低。由此，可改善效率、实现高频操作，因而也适用于小型包装。
(2)部件数减少
将开关元件的电力—MOSFET内装于同一芯片内。此外，又将相位补偿，自持电路(bootstrap)用二极管装在芯片内，减少了外附部件的数目。
(3)可靠性
负荷短路时藉hicup操作，以停止输出及再起动，而且，万一整流用二极管脱落，一旦检测到便停止电源工作，因而避免了IC和电源电路受损。
(4)输出的低电压化
由于内部基准电压的低电压化，可设定输出电压直到1.0V，实现了负荷的低电压化。
(5) 对比原来的产品
表2所列为FA7743N与原来产品的比较。由表2可知，FA7743N已实现上述的特点。
2.2 操作说明
图2所示为内部的方框图，详述如下：
(1)恢复操作(enable)回路（ENB端子 on/off）
藉控制ENB端子的外部信号，能设定电源输出的起动、停止。停止时消耗的电流可抑制到10μA。
(2)软起动(SS)回路（SS端子，Solfstart）
这是起动时对DC-DC变换器回路中冲击电流和过高输出电压的抑制电路。将连接于误差放大器非反向输入的基准电压，藉SS端子从0V到0.8V缓慢地升高，以便实现抑制作用。这一操作只在接有SS端子的电容器才能使用，按照电容的大小可任意设定时间。
(3)误差放大器回路（IN端子，OTA）
非反向输入0.8±1%的基准电压，对反馈电源输出电压的IN端子，进行反向输入控制。相位补偿装于内部，且不设置误差放大器的输出端子。
(4)振荡器回路(Oscillator)
振荡频率为500kHz，由内装的电容和电阻，固定这一振荡频率。
(5)连续（置位）脉冲及hicup回路（SS端子，Solfstart，hicup Control）
对开关时流过高侧n沟道MOSFET的电流进行监视。当超过IC内部设定的每开关周期的电流值时，内装的置位脉冲(pulse by pulse)式过电流限制电路将停止开关的操作。而且，这一过电流状态连续发生至一定次数情况下，藉SS端子外附电容器的设定时间来终止开关操作。然后采用由软起动操作的再起动hicup式过电流限制电路，在内装的定时闭锁计数器设定时间内，重复这一连串操作，直到解除过电流状态。
在由定时闭锁停止开关之前，若连续开关操作，开关元件会过热，由于过电流状态的解除，而实现了防止开关元件过热的高可靠性。
(6)定时闭锁式输出短路保护回路(Timer latch SCP)
因电源回路的输出短路等，继续一定时间电压降低场合下，为了停止开关操作，内部装有定时闭锁式短路保护回路。反馈输出电压的IN端子电压，在0.6V以下状态继续65ms以上，则停止开关操作。这一定时闭锁的设定时间在电路内部已固定，藉定时闭锁停止开关操作以后，电源电压或ENB端子（由off-on操作）的再投入、再起动是可能的。
(7)低电压保护回路(UVLO)
该回路具有防止电源电压降低时回路误操作的功能。输入电压上升时在6.5V以下，下降时在5.5V以下，则停止开关的输出。
(8)过热保护回路(TSD)
该回路为监视IC操作中芯片的温度上升。145℃以上时，停止开关的输出电压下降；温度达到95℃时，藉助软起动，输出电压再起动。
3 应用电路实例
3.1 电路构成
图3所示为FA7743N应用电路的一例。输入、输出的电容器全部采用陶瓷电容器，以便实现小型化和高可靠性，内装一部分相位补偿，同时将高侧n沟道MOSFET驱动用二极管也装在内部，故可减少外附部件的数目，节省空间。
3.2 效率特性、负荷调节
图4为FA7743N输出电压设定为5V时的电源效率特性，最高效率达到90.7%。
图5为相同条件下输出电压与负荷电流的相互关系曲线。即使在负荷电流1.5A时仍具有最大-0.7%这样的良好特性。
3.3 软起动的电源起动
图6所示为FA7743N输出电压的起动波形，藉助软起动(SS)，输出电压(Vo)缓慢地升高到额定电压。这一软起动时间是一定的，与输入的电源电压无关。
3.4 hicup操作
图7所示为FA7743N输出电压某一时刻短路复位时的波形。连续置位脉冲(set pulse)的过电流保护，重复一定次数后停止开关操作。同时，接于SS端子的电容器开始放电。电容器放电后，在再充电、再放电操作期间，因输出短路解除，由软起动进行再起动的输出电压回复至额定电压。
3.5 定时闭锁停止
图8为FA7743N输出电压在定时闭锁时间以上继续短路的波形，输出短路后，定时闭锁时间计数期间由hicup进行间断的开关操作。因这期间输出短路并未解除，经过定时闭锁时间后停止开关操作，电压输出也停止。
由此，即使在继续短路场合下，也会安全的停止电源回路。
4 结束语
由于数字化家电的急速普及，以及用于通信与产业市场的不断扩大，作为这些机器的电源，今后将愈益转小型化、高效率化、高可靠性化的方向发展。
本文提出的1.5A输出降压变换器集成电路FA7743N，内部装有新近开发的Δ5V耐压n沟道MOSFET，该产品符合当前市场的各项性能要求，具有广阔的开发前景。
参考文献
[1] 大和 诚，山田谷 政幸，一岡 明， 高功率降压变换器IC“FA7743N”， 富士时报 vol.81， 2008. No6
[1] 藤井优孝， 米田 保， 1kW输出降压型DC-DC变换器IC 富士时报 vol.79， 2006. No5
附录：（图3中的元件明细表）
D1 二极管 SD863-%
L 线圈 22μH
CIN 陶瓷电容器 Δ7μF
C0 陶瓷电容器 10μF×2
C1 陶瓷电容器 220μF
C2 陶瓷电容器 1000pF
CR 陶瓷电容器 0.1μF
CV 陶瓷电容器 0.1μF CS 陶瓷电容器 0.022μF
CB 陶瓷电容器 0.1μF
R1 芯片电阻 51kΩ
R2 芯片电阻 1.5kΩ
R3 芯片电阻 10kΩ
R4 芯片电阻 1kΩ
R5 芯片电阻 680kΩ
R6 芯片电阻 22Ω
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