基于EL7558BC的DC/DC变换器的设计与实现
基于el7558bc的dc/dc变换器的设计与实现
摘要：对hsop封装的el7558bc降压型开关整流器芯片的使用特点进行了分析，给出了利用该整流器芯片设计dc/dc变换器的外围电路和设计方法。并通过实验验证了该设计方法。
关键词：dc/dc变换器；el7558bc；开关整流器
0 引言
el7558bcdc/dc变换器芯片是elantec公司生产的内部集成了mosfets的低输入电压（4.5～5.5v），高输出电流（8a）的pwm整流器，效率可达94％。输出电压偏差小于1.5％。最高开关频率可达1mhz，可以设置成固定电压输出(3.5v)或者可调电压输出(1.0～3.8v)。el7558bc具有尽可能减少外围元器件的高度集成特点，只需少量外围元器件即可工作，从而大大降低了电路板面积和设计成本，为电源设计提供了一种快速而简易的解决方案。el7558bc同时具有过热指示及过热截止负载保护功能，用于逻辑/处理器复位及控制供电顺序的电压反馈pwrgd输出信号等。其封装形式为具有良好散热性能的28脚hsop封装。这些优点使得el7558bc电源芯片可以广泛应用于高性能的dsps/fpgas/asics/微处理器，pc主板，便携式电子仪器，手提电脑等许多电子设备中。
1 管脚功能和使用特点
el7558bc封装形式如图1所示，各管脚功能如下：
脚1（fb1） 电压反馈输入端1，当芯片设置为可调电压输出时（vcc2det为低）有效；
脚2（cref） 参考电压旁路电容输入端，一般用0.1μf瓷片电容与地连接；
脚3（cslope） 斜坡补偿电容输入端；
脚4（cosc） 内部振荡器电容输入端，电容cslope与cosc比例通常为1:1.5；
脚5（vdd） pwm控制电路电源电压输入端，通常与vin电压相同；
脚6及脚8（vin） 降压整流器电源电压输入端；
脚7，脚9－12，脚18－19（vssp） 降压整流器返回地，即电源地；
脚13（vcc2det） 接口逻辑输入端，逻辑1时芯片为3.5v固定电压输出，逻辑0时芯片为1.0～3.8v可调电压输出；
脚14（outen） 开关整流器输出使能端，逻辑1有效；
脚15（ot） 芯片过热指示输出，通常为高，当温度超过135℃时拉低，温度降至100℃以下时恢复变高；
脚16（pwrgd） power good输出信号，当输出电压的误差小于预设值的±10％时为高，否则为低；
脚17（test） 测试脚，通常必须与vssp连接；
脚20－23（lx） 电压输出端，驱动外部的电感；
脚24（vhi） 内部高端门驱动端，通过一个0.1μf的旁路电容与lx相连；
脚25（vss） 控制电路返回地，即信号地；
脚26（c2v） 连接倍压电路输出，作为内部低端门驱动端；
脚27（cp） 电荷泵电容的负边驱动端；
脚28（fb2） 电压反馈输入端2，当芯片设置为固定电压输出时（vcc2det为低）有效，此时输出电压为3.5v。
el7558bc dc/dc变换器芯片具有软启动功能，而且不需要外部电容器，当芯片加电时就会完成软启动。el7558bc具有vcc2det功能，为intel p54和p55微处理器提供了直接的接口。el7558bc具有内置的电荷泵倍压电路，用于开启内部mosfet，c5（见图1）即为电荷泵电容，d2及d3为电荷泵二极管。如果有12v电压输入，则d2及d3均可省略。
2 dc/dc变换器的设计
下面以el7558bc dc/dc变换器芯片为例，对dc/dc变换器的设计过程进行详细说明。其典型设计电路如图1所示。
图 1 el7558bc dc/dc变 换 器 芯 片 的 封 装 形 式 及 其 典 型 电 路
2.1 选择输出电压
el7558bc dc/dc变换器芯片可以通过vcc2det脚设置固定电压（3.5v）输出或者可调电压(1.0～3.8v)输出。当vcc2det为高时为固定电压输出；当vcc2det为低时为可调电压输出，此时要想得到不同的电压输出，可以通过反馈电阻r3及r4来调节，可调输出电压范围为1.0v至3.8v。r3及r4阻值与输出电压之间的对应关系可以近似地用式（1）表示，在这种模式下，vcc2det管脚必须为低。
输出电压 vo=1＋×1v （1）
2.2 选择开关频率
开关频率对el7558bc芯片的转换效率以及所需外接电感的大小都有很大的影响。频率越低，效率越高，但是所需电感的值也越大。可以通过调节连接cosc脚的电容c8来设置开关频率，可调频率最高可达1mhz，c8电容值与开关频率之间的对应关系可以近似地用式（2）表示。
开关频率 fsw=（hz）（2）
式中：c8单位为法拉f。
通过调节电容c8来改变开关频率时，连接cslope脚的斜坡补偿电容c7也要做相应的调整，电容c7与c8比例通常为1:1.5。
2.3 选择输入滤波元件
el7558bc芯片的输入端通常需要一个去耦电容和一个大容量输入电容。去耦电容c12主要作用是降低芯片输入端的高频噪声，一般采用1～10μf的瓷片电容，这个电容在布局时必须尽可能地靠近el7558bc芯片以获得最佳效果。大容量输入电容c9的主要作用是降低输入纹波电压，在某些应用中一个10μf的去耦电容已经足够滤波而无须大容量输入电容。至于是否需要大容量输入电容，首先取决于允许的最大输入纹波电压。通常要使el7558bc正常工作，输入纹波电压不可超过300mv。可用式（3）计算只用10μf电容时，可能出现的最大输入纹波电压，如果计算得到的值超过允许值，就要用大容量输入电容。
δvin= （3）
式中：δvin为没有大容量电容时的输入纹波电压的最大峰峰值；
iout（max）为最大的直流负载电流。
大容量输入电容的值越大越有利于降低纹波电压，而其等效串联电阻（esr）越大却会增加纹波电压，所以，要选择容量大且esr低的电容。式（4）给出了大容量输入电容与输入纹波电压的大致关系。如果纹波电压还是太大，可以采用多个电容并联的方法。另外大容量输入电容的额定电压和电流也要合适。
δvin′=＋iout（max）esrmax （4）
式中：δvin′为有大容量输入电容时的输入纹波电压的最大峰峰值；
iout（max）为最大的直流负载电流；
cbulk为所采用的大容量输入电容即c9；
esrmax为大容量输入电容的最大esr。
2.4 选择输出滤波元件
输出滤波元件的选择是dc/dc变换器设计中最关键的一环，输出滤波元件决定了电源的稳定性。重点是要选择两个元件，一个是输出电感l1，另一个是输出电容c10。影响电源稳定性的最关键参数是输出电容的esr，电容的数据手册一般都会给出电容的最大esr，而最小esr通常为最大esr的40％～60％。此外，在选择电容的时候，电容esr的温漂也要适当考虑。
输出电感l1具有存储能量和滤去纹波两大功能，电感的选择主要是由输入、输出电压，以及开关频率决定的。电感的额定电流必须大于最大输出电流（8a），电感值的选取可以由式（5）计算得到。
lout=(vin(max)－vout) （5）
式中：lout为的输出电感，即l1；
vin（max）为最大的输入电压；
vout为输出电压；
δil为允许的最大输出电感纹波电流值，这个值通常必须小于0.8a。
电容的选择要从电容直流额定电压，电容的额定纹波电流，电源的最大输出纹波电压，电源的稳定性等四个因素去考虑。电容额定电压必须大于输出电压，一般至少要比输出电压高出10％，以控制纹波和瞬态响应。最大的电容纹波电流（即电容rms电流）可以用式（6）计算，所选电容的额定纹波电流必须大于式（6）的计算结果。
ic（rms，max）=（6）
式中：ic（rms，max）为最大的电容rms电流。
对于电源的最大输出纹波电压，首先，要确定具体应用对输出纹波电压的要求，el7558bc芯片输出纹波电压必须限制在输出电压的2％以内。接着，利用式（7）计算允许的电容最大esr，选择最大额定esr小于式（7）计算值，以确保输出纹波电压符合应用要求。另外，电容esr的温漂也必须考虑在内。
esrmax′=（7）
式中：esrmax为允许的最大输出电容esr；
δv（max）为允许的最大输出纹波电压值；
δil（max）为允许的最大输出纹波电流值，这个值通常必须小于0.8a。
可以通过多个电容并联的方法来降低esr，提高电路的瞬态响应，不过总的esr必须大于10mω，总的电容值必须大于330μf。
2.5 布局布线注意事项
在布局布线时，原则是所有的外围元器件要尽可能的靠近el7558bc电源芯片，尤其是去耦电容和旁路电容必须布在相应的管脚附近。el7558bc器件有两个地（模拟地和电源地），模拟地连接所有噪声敏感信号，而电源地连接有噪声的信号。两个地之间引入噪声将降低芯片的性能，尤其在大电流输出的情况下。但是，模拟地的噪声过大将会影响控制信号，所以，推荐把模拟地和电源地分开，并且两个地在一点（通常在芯片下面或者在输入或输出电容的负边）直接连接以降低两个地之间的噪声。连接反馈脚（脚1和脚28）的走线对噪声最为敏感，要尽可能地短，最好布在两个地线中间。
el7558bc芯片的散热主要靠vssp引脚以及芯片底部的散热焊盘。为了达到良好的散热性能，散热焊盘必须完全焊接在pcb上，如果有中间的地层时，必须通过多个过孔把地层与散热焊盘相连以提高散热效果。
3 结语
我们采用以上方法，用两块el7558bc芯片设计了基于fpga的mpeg?4解码器芯片设计演示开发板的电源（输入4.5～5.5v，输出3.3～1.5v）。其中3.3v输出的设计电路如图1所示，各项指标如下：
1）输出电压校准在输入电压从4.5v到5.5v及负载电流从0到8.0a的范围内变化时，输出电压变化不超过1.0％；
2）负载瞬态响应负载电流在15μs内从0a到8a或从8a到0a突变，输出电压瞬时波动不超过120mv，波动时间不超过25μs；
3）输出电压纹波在输入电压为4.5～5.5v时，输出电压纹波峰峰值低于22mv。
4）输入电压纹波在负载为8a，输入电压为4.5～5.5v时，输入电压纹波峰峰值大约为230mv，增大输入电容值，将c9从220μf换成470μf，输入电压纹波峰峰值降到180mv左右。
基于el7558bc的 dc/dc模块设计体现了新型的快速，简易的电源解决方案，其设计方法在目前的dc/dc变换器设计中是非常典型的，具有相当的参考价值。
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