DC/DC開關穩壓器從誕生以來，一直在持續的改良中。對于芯片驅動電流、開關頻率、轉換效率、線路簡化、減小尺寸，各種天才的創意及產品層出不窮。便攜、高效率、綠色節能的要求迫使芯片供應商在提升效率、縮小尺寸、提升可靠性等諸多應用的角度推出新一代的產品。圣邦微電子在過去的幾年時間內，針對DC/DC穩壓器領域做出一系列規劃，在低壓和高壓領域都有涉足。SGM6601作為SG MICRO升壓DC/DC穩壓器的代表，已經在電池供電領域以及消費類電子市場中取得一席之地。
圖1是SGM6601內部功能單元框圖。 SGM6601設計目的在于以電池（AA、鋰電池、鎳氫電池）為輸入電源，為系統提供升壓應用。內部包含限流檢測電路（400mA Current Limit）單元、軟啟動（Soft Start）單元、電壓基準單元（1.227V VREF）、欠壓鎖定（Under Voltage Lockout）、過溫檢測保護電路等。欠壓鎖定單元可以檢測到當輸入電壓低于1.5V狀態下，關閉芯片開關動作；軟啟動單元實現芯片防止開機啟動大電流的功能；限流檢測電路用于防止芯片短路或者大負載條件下損壞內部功率管的功能。SGM6601的最大亮點則是通過改善芯片內部開關性能，優化芯片效率及靜態功耗，達到在空載條件下靜態電流的典型值為20µA的優異性能。
圖2是SGM6601在不同輸入電壓及負載條件下的效率曲線。 SGM6601自發布以來，已經得到眾多客戶的應用，例如基于2節干電池的9V升壓應用方案；基于鋰電池升壓的OLED驅動方案；智能機上流行的Sharp高亮屏的供電解決方案。下面會針對這幾種典型應用案例作分析，對SGM6601的特性進一步闡述。 首先我們針對基于2節干電池9V升壓應用的案例進行分析。
圖3是SGM6601實現9V升壓電路原理圖，輸出電壓等于1.227 × (1 + R18/R16) = 9V。 SGM6601的工作電壓范圍為1.8V ~ 6V，輸出電壓最高可達38V。當VBATT上電時，芯片內部功率MOSFET導通，軟啟動功能保證了電路中逐步增加的電流流過電感、功率MOSFET和內部電流檢測電阻RSENSE；SGM6601的FB（反饋）腳檢測輸出電壓，只要反饋電壓低于基準參考電壓（典型值1.227V），則功率MOSFET保持導通，電流繼續上升；當電流達到內部限流上限400mA，則關斷功率MOSFET；SGM6601內部最大導通時間限制功能則保證某些極端條件下，導通時間超過6µs（典型值）時截止功率MOSFET；關斷功率MOSFET時，電流中斷會升高電感上的電壓，使外部的肖特基二極管正偏并導通，等效為續流二極管保證電流輸出，直至達到設定的輸出電壓9V。 升壓芯片在線路設計中，還必須考慮一些極端使用條件，例如在面對線路對地短路的情況。整個升壓電路會對地形成一個通路，電流會流過功率電感、二極管，直接對地短路，這成為系統電源安全性的隱患。在圖3應用電路中就考慮到這種情況，通過增加輸入端的PMOS功率管Si2301，起到物理電路開關的作用。在遇到負載端對地短路的情況下，可以通過斷開功率PMOS來實現切斷電池放電回路，避免大電流放電導致的電池安全隱患。 對基于鋰電池電源進行升壓的OLED驅動方案和市面上流行的Sharp高亮屏的供電解決方案來說，兩者唯一的區別在于升壓電路的輸出電壓不同，外圍電路只需要對分壓電阻的阻值進行調整即可。智能手機在帶動整個手機行業的變革的同時，也改變了整個電子產業鏈的應用理念，讓手機從單純的通訊工具，變成一個集個人媒體娛樂、學習、工作的平臺。如何從用戶體驗的角度取悅終端用戶，更省電、色彩表現更豐富成為顯示終端的基本考核點，也成為市場產品研發的重心。下面我們會介紹SGM6601基于鋰電池供電的OLED驅動方案。
圖4 是SGM6601基于鋰電池供電的OLED升壓驅動方案。VOUT = 1.227 × (1+R2/R1) = 18V（根據OLED材質不同，供電電壓值會有所差異）。 該升壓電路同樣會遇到電池對地短路的安全隱患，設計工程師選擇了與9V升壓方案不同的保護措施。在電源輸入端通過增加SGM2019（3.3V穩壓LDO），起到電路開關的作用。同時LDO的EN 腳控制電平可以兼容CMOS及TTL電平。與功率PMOS相比，對控制電平的兼容性要求更低。對于在電路設計中如何提升整體性能、降低輸出電壓紋波、減少對系統EMI輻射干擾等牽涉到外圍電感、二極管、電阻、電容的配置的應用細節，都與PCB布局有著極大的關聯，這些都可以在圖4的電路設計中得到體現。 PCB布局是提高DC/DC性能的關鍵步驟，而好的PCB布局則依賴于對整個系統電路電流路徑進行深刻理解。對于工程師來講，要提升SGM6601整體電路性能，就需要對SGM6601的開關電流回路進行深刻了解。圖5是SGM6601電路中電流路徑示意圖。 綠色是開關導通電流路徑，藍色是開關關斷電流路徑，紅色是突變電流路徑。
對于DC/DC穩壓器的PCB設計布局，需要特別注意大電流回路和開關電流的干擾以及輸入輸出的電容放置。如果布局不合理，容易產生噪聲干擾問題和線路震蕩造成輸出電壓不穩。在圖3的設計電路中，輸入電容E8應被擺放在靠近輸入引腳的地方，如果有條件的話，可以考慮利用Л形濾波電路來濾除源自輸入電壓的噪聲干擾或者參考圖4電路設計，利用LDO抑制來自電源的干擾。電感和二極管應該放在盡可能靠近SW引腳附近，二者與SW間的走線要盡可能短，以減輕走線寄生參數對電路造成影響。在材質上則應該盡量選用帶有屏蔽罩、等效直流阻抗較低的電感，避免對系統造成EMI干擾問題，提升系統效率（阻抗越低，電感上的功率損耗越低）。SGM6601的反饋回路表現為高阻抗特性，在PCB布局中要遠離電感，并且反饋電阻與FB腳組成的回路面積應盡可能的小，以減小耦合系統噪聲的可能。對于輸出電壓紋波抑制部分，可以參考在圖4電路中采用增加與R2電阻并聯C5反饋電容的方式，降低輸出電壓上的紋波。與加大后端C3的容值相比較，工程師更愿意從成本及尺寸角度考慮，用一個小容值的C5得到同樣的效果。關于反饋電容容值的計算，可以參考SGM6601規格書中相關的計算公式。 作為傳統異步升壓的DC/DC穩壓器中的一種，SGM6601性能較同類早期產品有了較大提升。在欠壓鎖定、限流保護、軟啟動等功能單元的優化設計，提升了電池供電系統的可靠性與穩定性，更符合便攜類產品的市場應用需求。 |
