基于控制器LM2727的高速同步降压开关稳压器设计

摘要：LM2727是一种低输出电压N沟道MOSFET高速同步降压开关稳压器控制器，它可以从2.2V~16V的输入得到0.7A~20A、低至0.6V的输出和95%的效率。文中介绍了LM2727的结构、特点及其组成的降压稳压器设计。

关键词：LM2727   同步降压   开关稳压器   设计

1、引言

LM2727是美国国家半导体（NS）公司为应用于有线调制解调器、机顶盒/家庭网关、DDR内核电源和高效率分布式电源而设计的一种N沟道功率MOSFET同步降压高速开关型稳压器控制IC。LM2727输入电压范围为2.2~16V，输出电压可调低到0.6V，负载电流从0.7A到20A，效率高达95%，开关频率利用单个电阻在50kHz~2MHz范围内可调节，并且提供电流限制、输出欠电压和过电压保护及电源好（Power Good, PG）标志。

2、LM2727的结构及其特点

LM2727芯片集成了振荡器、PWM比较器、反馈误差放大器、同步驱动逻辑、MOSFET高/低端栅极驱动器及电流限制、软启动、输入欠压锁定（UVLO）、输出欠电压与过电压保护（UVP/OVP）及电源好标志等电路，其内部结构框图如图1所示。

LM2727采用14引脚塑料TSSOP封装，引脚排列如图2所示。

LM2727各引脚功能见表1。

表1  LM2727引脚功能

LM2727的主要特点是：（1）输出电压可由电阻分压器设置，最低可调至0.6V；（2）电流限制无需传感电阻；（3）开关频率、软启动时间、电流限制电平等可编程；（4）提供输出UVP/OVP锁断、电源好标志和IC逻辑关闭，当输出电压降至正常值70%以下或高于118%时，IC则锁断。

3、基于LM2727的DC-DC降压稳压器原理与设计

由控制器LM2727的DC-DC开关型降压稳压器电路如图3所示。该电源电路的技术要求是：

输入电压Vin=5V；

输出电压Vo=1.2V；

输出电流Io=10A；

开关频率fsw=300kHz；

效率η=85%。

根据这些性能要求，设计程序和方法如下所述。

3.1  输入电容器选择

输入电容器Cin1,2用作抑制输入电流纹波。输入有效值电流纹波Irms-rip由输出电流Io和开关占空比D确定，计算公式为

上式中：Io=10A；D=Vo/Vin=1.2V/5V=0.24，因此可得Irms-rip=4.27A。

Cin1,2可选用2个Sanyo的10MV5600AX（5600μF/10V）的铝电解电容器并联，这种电容器工作温度为105℃，在100kHz时的等效串联电阻ESR为18mΩ。Cin1,2也可选用MLCC、钽电容、OSCON、SP及POSCAPS等电容器。

Cin1,2用作高频旁路，滤除开关谐波和输入噪声，可采用2个1μF/10V的陶瓷电容相关联。

Vcc脚上的电容Cin和电阻Rin用作平滑Vcc电压和自举电压，Cin可选用2.2μF/25V的陶瓷电容，Rin采用10Ω的电阻，自举电容Cboot为0.1μF。

3.2  输入电感器Lin选择

输入电感器Lin用作抑制开关噪声并限制输入电流的转换速率。其电感值由无载到满载时Lin上的电压变化ΔV与输入电流最大变化率（di/dt）max确定，并可表示为

　Lin≥ΔV /（di/dt）max

ΔV可以视为满载电流通过输入电容器ESR引起的。由于输入电容总RESR=18mΩ/2=9mΩ，故ΔV=IoRESR=10A×9mΩ=90mV。在台式计算机等设备中，di/dt约为0.1A/μs，因此Lin≥90mV/（0.1A/μs）=0.9μH。输入电感器应能处理DC输入电流，该电流值为

IIN-DC=IOD/η=（10A×0.24）/0.85=2.83A

输入电感器可以选择TDK SLF12575T-1R2N8R2，其电感值为1.2μH，可处理8.2A的DC电流，DC电阻为7mΩ，尺寸为7.29×7.29×3.51(mm)。

3.3输出电感器L1选择

输出电感器L1用作平滑由开关作用产生的方波并控制输出纹波电流ΔI。其电感值由输入电压Vin、输出电压Vo、开关频率fsw、占空因数D和ΔIo共同确定，计算公式为

若峰-峰值输出电流纹波为负载电流的40%，所需要的电感值则为1.5μH。输出电感器必须能够处理峰-峰值电流（即Io+ΔIo/2=10A+2A=12A）因此L1可选用Coilcraft的DO5022-152HC电感器，其电感值为1.5μH，额定电流为15A，DC电阻为4mΩ，尺寸为22.35×16.26×18（mm）。

3.4  输出电容器选择

输出电容器C01~3用作控制输出电压纹波ΔVo并在负载快速变化期间施加负载电流。输出纹波电压ΔVo和纹波电流ΔIo决定允许最大ESR，即

RESR（max）=ΔVo/ΔIo

为了保持2%的峰-峰值输出电压纹波和40%的峰-峰值电感电流纹波，最大ESR值为RESR（max）=1.2×0.2V/10A×0.4=6mΩ。CO1~3可选用Sanyo的10MV5600AX，用三个这样的电容器相并联，总电容为16.8mF，总RESR=18mΩ/3=6mΩ。

3.5  频率设置电阻Rfadj选择

LM2727的开关频率由IC引脚FREQ上的外部接地电阻Rfadj设置。由于选择fsw=300kHz，Rfadj值为

　　 [p]
 
3.7  控制环路补偿元件选择

连接在LM2727引脚EAO和FB之间的RC1、CC1和CC2组成控制环路的补偿网络，用作改善误差放大器DC增益和频带宽度BW。选择RC1=229kΩ、CO1=4.7PF、CO2=270PF，可以获得63°的相补角和29.3kHz的带宽。

3.8  输出电压设置元件选择

连接在IC反馈脚FB上的电阻分压器Rfb1/Rfb2用作感测输出电压，也用来设置输出电压值。IC脚FB内部门限为0.6V，因此可得：

　　
 
可以选择Rfb1=Rfb2=10kΩ。

3.9  电流限制电阻RCS选择

LM2727通过引脚ISEN感测Q2上的电压来限制输出电流。在低端开关Q2导通时，IC内部一个50μA的电流通过RCS，RCS值为：

RCS=RDSON（Q2）×ILIM/50μA

上式中：RDSON（Q2）为低端开关导通电阻；ILIM为限制电流。若Q2的RDSON（Q2）为10mΩ，ILIM为15A（当有足够余地），RCS则为3KΩ，可以选用3.3KΩ的标准电阻。

3.10  软启动电容CSS选择

LM2727脚SS上的外部接地电容CSS，用作设置软启动时间tss，计算公式为

CSS=tss/2.5×105

像微处理器等需要的延时一般为3ms，因此Css可以选用12nF/25V的电容器，例如Vishay的V71206X123Kxx，尺寸为1206。

3.11  功率MOSFET与自举二极管选择

在计算电流限制电阻时，电流限制值设定在15A，MOSFET的导通电阻不大于10mΩ，据此Q1和Q2可选用Vishay公司的Si442DY型功率MOSFET。

连接在Vin与IC脚BOOT之间的自举二极管D1，可选用30V的BAT-54型肖特基二极管。

3.12  效率的计算

DC-DC开关稳压器的效率取决于系统总功率损耗，MOSFET功率损耗在总功率损耗中居支配地位。

（1）MOSFET的功率损耗

MOSFET的功率损耗包括导通损耗、栅极充电损耗和开关损耗。

MOSFET的导通损耗PCnd为

PCnd=D(Io2RDSONK)+(1-D)( Io2RDSONK)

上式中：因数K=1.3；Si4442DY的RDSON=4.1mΩ；IO=10A；D=0.24。据此可得：RCnd=0.533W。

MOSFET的开关损耗Psw为

Psw=0.5VinIo(tr+tf)fsw

上式中：Si4442DY的上升时间tr=11ns，下降时间tf=47ns，Vin=5V，fsw=300kHz，因此可得Psw=0.435W。

MOSFET的栅极充电损耗RGC为

RGC=nVccQGSfsw

上式中：n为MOSFET数量，n=2；QGC为栅极电荷，Si4442DY的QGC=36nC。按上式计算的结果是PGC=0.108W。

MOSFET的总功率损耗PC(Q1,Q2)为

PC(Q1,Q2)=PCnd+PSW+PGC=0.533W+0.435W+0.108W=1.076W

（2）输入电容器损耗

输入电容器功率损耗RCin可根据下式计算：

　　
 
上式中，n为电容器个数，n=2；RESR=18mΩ；I2rms-rip=4.27A。计算结果为PCin=0.082W。 [p]

（3）输入电感器损耗

DC输入电流IIN-DC为

IIN-DC=IOD/η=10A×0.24/0.85=2.82A

输入电感器损耗PLin为

PLin=I2IN-DCRDC(Lin)=(2.82A)2×7mΩ=0.055W

（4）输出电感器损耗

输出电感器DC电阻RDC（L1）=4mΩ，其功率损耗RL1为

PL1=I2ORDC(L1)=(10A)2×4mΩ=0.4W

（5）LM2727芯片损耗

LM2727芯片电压VCC=5V，工作电流IQ-VCC=2mA，功率损耗PIC为

PIC=IQ-vcc VCC=2mA×5V=0.01W

此外，输出电容器形成降压开关变换器功率级的另一半，在计算效率时可以不考虑其损耗。

系统总功率损耗Ptotal为

Ptotal=PC(Q1,Q2)+PCin+PLin+PIC=1.076W+0.082W+0.4W+0.01W=1.568W

稳压器输出功率为PO=IOVO=10A1.2V=12W

系统效率η为

η=Po/(Po+Ptotal)=12W/(12W+1.568W)=88.4%

4、降压开关稳压器电路举例

一种3.3V输入、0.8V/5A输出的500kHz降压稳压器电路如图4所示。该电路的输入DC总线电压Vin为3.3V，LM2727的供电电压VCC为5V，系统效率达87%，Q1、Q2选用Si4442DY，D1选用BAT-54。

图5所示是一种单独为LM2727内部MOSFET栅极驱动器供电的降压稳压器电路。该电路消除了由D1和Cboot组成的自举电路，+12V的电源电压直接加至1C的BOOT端。这种稳压器的输入电压Vin为5V，输出为1.8V/3A，开关频率为600kHz。Q1/Q2采用Si4826DY型双N沟道MOSFET。

图6所示为应用于不对称数字用户线（ADSL）的降压稳压器电路。由于两个LM2727的引脚SS是连在一起的，故两个IC同时启动，软启动时间为5ms，1.8V和3.3V的两个输出同步发生。如果在一个电路中发生UV或OV故障，两个电路则同时锁断。电路的开关频率为1.4MHz，输出均为1A。Q1/Q2选用SO-8封装的Si4826DY，D1选用BAT-54。

5、结束语

LM2727是一种电压模式高速同步降压稳压器PWM控制器。这种多项参数可编程并具有电源好标志、输出关闭（SD）、电流限制和UVP/OVP的控制器，适合于机顶盒、薄客户机（thin clients）、DSL/线缆调制解调器等应用。