同样是 36V3A 的车用 Buck 转换器,RTQ2105-QA 的设计很特别

去年曾经介绍过一款 36V3A 的车用 Buck 转换器 RTQ2104-QA,它的性能很好,用起来很简单,封装也很普通( PSOP-8 ),可以在 3V-36V 的输入电压范围内工作,具有很好的电磁兼容特性,可满足很多应用的需要。



对 RTQ2104-QA 有兴趣的朋友可以点击下面的链接去快速了解它:

低耗电的车用 36V3A 同步 Buck 转换器 RTQ2104-QA 简介

RTQ2105-QA 的基本功能与 RTQ2104-QA 相似但参数更好,同时具有很多特别的设计。这些设计赋予它特别的功能,可以满足一些特定的需求,下面就来大致了解一下。


上图是 RTQ2105-QA 的系统框图,我画了几个圈的地方是一般的 Buck 电路里没有的元素。

右上角的蓝色圈里的电路是为芯片本身内部供电的,常规的做法也就只有一个 Internal Regulator 即内部稳压器,它利用 VIN 端的输入产生一个稳定的电压 VCC 为内部电路供电,推动上桥的自举电路也从这里取电,其电压通常是 5V。在单输入的器件中,VIN 也就是电源转换器的输入电压,所以在输入电压比较高的时候,这个内部稳压器的压降是很大的。当 RTQ2105-QA 的最高工作电压是 36V 时,这个内部稳压器的输入、输出压差便是 31V。在静态时,RTQ2105-QA 的电流消耗典型值为 40μA,由此形成的稳压器功耗便是 31V x 40μA = 1240μW = 1.24mW,这部分功耗将完全转化为热能损耗掉,一点也不会给系统带来任何帮助。如果进入正常的开关工作模式,由于驱动上、下桥开关会新增不小的电流消耗,这个损耗就会更大,在高温下工作时对散热的需求就会更高。

为了消除或减轻这种无谓的损耗,RTQ2105-QA 加入了一个特别的 Switch-Over 电路,它在发现 VIN 的输入电压高于 4.8V 时可自动将内部稳压器的输入改为来自 CSP 端的输入,同时规定这样做时的 CSP 端电压必须介于 4.8V ~ 6V 之间,这样就将内部稳压器的输入、输出压差降到了最高只有 1V 的水平,使得 IC 的无谓损耗可以大大降低。由于大多数系统都会使用 5V 的电源电压,在使用 RTQ2105-QA 作为该电源电压的生成电路时就可以直接将其输出电压连接到 CSP 来为其自身供电,使得这种条件下的损耗大为减少,下图便是这样应用的一个电路示例:


这个图里的 CSP 和 CSN 是被连接在一起的,它们内部连接的两个很有用的电路便被弃之不用了,而这两个电路的作用分别是提供缆线压降补偿和输出电流的限制,前者被我用绿色线圈标注在内部框图的左下角,后者则用红色线圈标注在右下角。

假如我们将 RTQ2105-QA 应用于类似 5V USB 接口的电源输出中,缆线压降补偿和输出电流的限制都将是非常重要的,因为在大电流经过长长的 USB 电缆输送到负载端时,缆线阻抗所造成的压降是非常明显的,而且该压降会随着负载电流的不同而变化,这样就会造成负载端供电电压的变动,而这样的变动有时可能给负载带来严重影响,例如有的手机会在发现输入电压低于某个阈值以后停止充电,可是在它停止充电以后的输入电压又会因为负载电流的下降而上升,于是它又会重启充电动作,这样就会造成充电、停充的反复震荡过程。这样的震荡过程对电池来说不会有什么大问题,但是电压的波动会传入负载,这对某些负载就属于难以处理的噪声,会降低模拟电路的信噪比,增加数字系统出现误动作的机会。缆线压降补偿是根据输出电流的大小自动调节转换器输出电压,使得负载端所得到的电压不会因为负载电流的变化而变化,从而给负载提供一个相对稳定的工作环境,其作用相当于是降低了电源系统的内阻。

CSP 和 CSN 内部连接的电流限制电路是在发现这两个端点间的压差等于或大于 100mV 时主动对反馈系统误差放大器输出端的 COMP 信号进行限制以实现对输出电流的限制,其应用电路如下图所示:


Buck 转换器内部通过检测上、下桥开关流过的电流峰值进行的电流限制作用与上述电流限制的作用是不同的。负载电流的大小是由负载决定的,而开关电流的峰值则与许多因素有关,这可以从下述计算公式里看出来:


这是规格书里列出来的电感峰值电流计算公式,通过测量开关电流峰值进行的限制是对 IL_PEAK  的控制,上述输出电流限制电路限制的电流则是公式中的 IOUT_MAX,这两者差异巨大,所以意义也不同。有了对输出电流的限制,当输出端出现短路、过流等状况时,转换器本身对开关电路的限制作用会及时发生,可以避免出现严重的后续危害。

由于 CSP/CSN 的输入在进入芯片以后被同时接入缆线压降补偿电路和输出电流限制电路,而缆线压降补偿的作用点在反馈电路的前半段,电流限制的作用点在反馈电路的后半段,所以后者的优先级会更高,作用更直接。但在电流限制作用起效以前,缆线压降补偿电路是一直在起作用的。下图是启用了这两种功能的应用电路示例,仅供参考。

由于该电路的输出电压为 5V,前面介绍的 Switch-Over 电路将自然地发挥作用,所以该电路的自身损耗会非常低,芯片发热问题是不容易出现的。实际上,RTQ2105-QA 的效率表现确实是很优秀的,具体情形可见下图所示数据:

由图可见,即使负载电流已经低达 1mA,转换效率也可以高达 70% ~ 80%,而且工作频率越低则效率越高,这又显示出 RTQ2105-QA 的工作频率可以在 300kHz ~ 2.2MHz 之间可调的优势和使用 PSM 工作模式的优势。如果将器件设定于 PWM 模式下工作,轻载条件下的效率表现就不会这么好,但是其输出电压的纹波表现会大大改善,设计者可以根据自己的需要来做灵活的选择。虽然我们都希望既能得到高效率,又能得到低纹波的输出,但物理规律是不以人的意志为转移的,我们可以改善其表现,绝对的好却是无法获得的,我们对这一点需要有客观的认识。

RTQ2105-QA 在设计上还有许多有用的特性,如可以在外部时钟的控制下同步工作、支持频谱扩展的工作模式以改善电磁兼容特性、使用浸润特性良好的 WET-WQFN 封装以改善焊接质量并方便进行焊接后的光电检查等等,更重要的是它是通过了 AEC-Q100 Grade 1 认证的产品,可以在 -40℃ ~ 125℃ 的温度范围内长期可靠的工作,可免除用户的性能、品质之忧。

本文所述信息在 RTQ2105-QA规格书里都有明确的描述,有的从上述电路图上就能明显地看出来,需要进一步了解更多信息的可以点击前往查看。

本文原文发表于立锜科技微信公众号,那里有更多内容可供参考,欢迎扫码关注。


 

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