連載系列：立锜科技60V, 3.5A 工業(yè)級 Buck 轉換器 RTQ6363 的應用信息

RTQ6363 是工作電壓范圍為 4.5V~60V、啟動后最低輸入電壓可低到 4V 的工業(yè)級 Buck 轉換器，其負載能力為 3.5A，輸出電壓可在 0.8V~VIN 間進行設定。它采用峰值電流模式控制架構，工作頻率可用一只外接電阻在 100kHz~2.5MHz 間進行設定，也支持用外部時鐘信號控制進行同步動作，外部時鐘信號的頻率范圍可在 200kHz~2.2MHz 之間選擇。
RTQ6363 可以兩種封裝形式供貨，一種是 PSOP-8，一種是 4mm X 4mm 的 DFN-10L，后者因為引腳較多而具有可調(diào)的軟啟動能力和 PGOOD 指示信號輸出，同時也具有更高的散熱能力，但是占位面積卻更小，比較適合那些對時序控制要求較高的應用的需求。

為了幫助用戶更好地使用 RTQ6363，我的一位歐洲同事最近寫了一篇應用筆記 AN063，其中引用了立锜科技專為 RT(Q)63xx 系列產(chǎn)品設計的一個 EXCEL 設計工具進行了兩個應用案例的完整設計和測試驗證，同時把相關元器件的選用規(guī)則也給了出來，還進行了一些關鍵元件的不同選擇帶來的不同結果的比較和驗證，是一篇非常有參考價值的文章，而我已經(jīng)完成了對它的翻譯，很快就會通過電子郵件的形式推送給訂閱了立锜電子報的讀者。

我在完成了 AN063 的翻譯后重讀 RTQ6363的規(guī)格書時，覺得其規(guī)格書的應用說明部分也寫得非常好，所以發(fā)心要把它翻譯出來供咱們的讀者使用，下面便是這次翻譯的結果。由于規(guī)格書的寫作方法并不適合以一般文章的形式呈現(xiàn)，所以我在翻譯時會有一些小的修改，希望這能得到讀者的理解。又考慮到其內(nèi)容繁多，并不適合一次就發(fā)完，所以將以連載的形式來發(fā)布，請有興趣的讀者們持續(xù)關注。

RTQ6363 的應用說明

RTQ6363 的型號定義和引腳布置

RTQ6363 的內(nèi)部電路框圖

RTQ6363 的典型應用電路

上面給出了 RTQ6363 常見的一些應用電路，每個電路中的外部元件的選擇都主要由應用需求決定，設計中的第一步是要通過對外部電阻 RRT/SYNC 的選擇來決定其開關切換工作頻率，接著便是電感 L、輸入電容 CIN、輸出電容 COUT 和續(xù)流二極管的選擇，然后是通過對反饋電阻、補償電路參數(shù)的選擇來設定需要的輸出電壓和交叉頻率。自舉電容 CBOOT 的選擇比較簡單，使能端 EN、軟啟動端 SS、PGOOD 和同步等端子涉及到的外圍元件可根據(jù)具體的應用需求來做選擇，通常不會有多大問題。

開關切換工作頻率的設定

RTQ6363 的開關切換工作頻率是可調(diào)的，通過 RRT/SYNC 端的外接電阻便可對其進行設定，其設定范圍為 100kHz~2.5MHz。工作頻率選擇的難點是要在轉換效率和元件的尺寸方面進行權衡，較高的工作頻率容許使用較小的電感和電容量，而較低的工作頻率則可降低內(nèi)部開關的柵極電容充電損失和切換過程帶來的損失，但也同時需要較大的電感量和/或電容量以維持較低的輸入電壓紋波。

開關的最短導通時間和最短截止時間對工作頻率的選擇會帶來一定的限制。最短導通時間 tON_MIN 是上橋開關處于導通狀態(tài)的最短時間長度，RTQ6363 的這個參數(shù)的典型值是 100ns。在電流連續(xù)工作模式下，最高工作頻率 fSW_MAX 受到最短導通時間的限制，它們之間的關系是：

其中的 VIN_MAX 是最大可能的輸入電壓。

最短截止時間 tOFF_MIN 是 RTQ6363 內(nèi)部電流比較器恢復常態(tài)并能讓 MOSFET 上橋開關再次動作所需要的最短時間，這項參數(shù)的典型值是 130ns。假如要讓工作頻率恒定不變，實際的截止時間就要比最短截止時間更長才行。下面的最短截止時間計算公式是將各種損耗項目也納入了考慮的結果：

其中的 RDS(ON)_H 是上橋 MOSFET 開關的導通電阻；VD 是續(xù)流二極管的正向導通電壓；RL 是電感器的直流阻抗。

通過連接在 RT/SYNC 和地之間的外接電阻可以設定工作頻率 fSW，這個端子是按照 FMEA 失效模式及其效應分析的結果進行設計的，這可確保它在遇到諸如短路到地或是處于浮空狀態(tài)等失效狀態(tài)時也不會讓器件以不正常的頻率工作。實際上的狀況將是這樣的，假如該端子與地短路了，器件的工作頻率就會是 900kHz（典型值）；假如該端子處于浮空狀態(tài)，實際的工作頻率就會是 240kHz（典型值）；假如該端子是正常連接的，實際的電阻值與工作頻率之間的關系便如下式所示：

其中的 fSW(kHz) 是我們希望設定的工作頻率。設定工作頻率的電阻最好是使用 1% 精度或更高精度的電阻，其溫度系數(shù)應該是 100ppm 或更低。下圖顯示了工作頻率 fSW 與電阻 RRT/SYNC 的值之間的關系：

電感器的選擇

電感器的選擇需要在尺寸、成本、效率和瞬態(tài)響應需求之間進行權衡，其關鍵參數(shù)包含三個：電感量 L、電感器飽和電流 ISAT 和直流阻抗 DCR。

一個值得推薦的尺寸與損耗之間的平衡點是將電感電流的紋波峰峰值設定為 IC 額定電流的 30%，再加上工作頻率、輸入電壓、輸出電壓便可一起計算出電感量的值：

較大的電感量會導致較低的輸出電壓紋波和較高的效率，但會略微降低瞬態(tài)響應能力，會導致環(huán)路相位的滯后，降低交叉頻率，當斜率補償斜坡與檢測到的電流斜坡之間的比值增加時，電流模式的控制系統(tǒng)就變得越來越像電壓模式的控制系統(tǒng)了。較低的電感量會導致較小的尺寸，但是電流紋波的增長會帶來電流限制閾值的精度降低，增加電感器的交流損耗，也會在占空比接近或超過 50% 時導致補償不足，出現(xiàn)嚴重的環(huán)路不穩(wěn)定問題。當占空比超過 50% 時，下列條件需要得到滿足：

將電感電流紋波 ? IL 設定在最大額定輸出電流（3.5A）的 10%~50% 可在尺寸、效率和瞬態(tài)響應之間得到一個比較好的平衡。

為了得到好的效率表現(xiàn)，可在容許的空間尺寸內(nèi)選擇具有最低直流阻抗的低損耗電感。電感量不僅會決定電流紋波的大小，也會決定發(fā)生 DCM/CCM 模式切換時的負載電流值。被選中的電感器應該擁有大于 IC? 峰值電流限制閾值的飽和電流額定值，其磁芯應該足夠大，以便其在出現(xiàn)電感電流峰值（IL_PEAK）時也不至于會發(fā)生飽和現(xiàn)象，其中的電感電流峰值計算公式列出如下：

即流過電感器的電流由電感紋波電流和負載電流共同組成。在上電、發(fā)生故障或負載發(fā)生瞬變時，電感電流可能發(fā)生超過上面計算出的電感電流峰值的情況。由于在負載發(fā)生瞬變期間有可能發(fā)生電感電流頂?shù)?IC 的開關電流限制值的情況，許多偏于保守的設計便會選擇飽和電流參數(shù)額定值等于或大于 IC 開關電流限制的電感器。為了得到好的 EMI 性能，所選電感器最好是帶有屏蔽的設計。

輸入電容的選擇

輸入電容 CIN 起著對上橋 MOSFET 開關漏極脈沖電流進行濾波的作用，其大小應當能夠避免在輸入端出現(xiàn)大的電壓變化。出現(xiàn)在輸入電容上的輸入端電壓紋波可用如下公式進行評估：

其中有

下面的圖 5 顯示了流過輸入電容 CIN 的紋波電流和它在電容上形成的電壓紋波。

對陶瓷電容而言，其等效串聯(lián)電阻 ESR 很小，由其導致的紋波可以被忽略，我們可用下述公式對實際需要的輸入電容有效值進行估算：

其中的 ?VCIN_MAX 是輸入電壓紋波最大值。

輸入電容不僅需要具有很低的 ESR ，還要具有承擔最壞情況下的輸入電流紋波有效值的能力。轉換器的輸入電流紋波有效值（IRMS）可根據(jù)輸入電壓 VIN、輸出電壓 VOUT 和額定負載電流 IOUT 經(jīng)由下述公式進行評估：

輸入電流紋波有效值的最大值發(fā)生在負載最大時，這個需求必須被納入輸入電容電流承載能力的考慮當中去。輸入電流紋波最大值通常發(fā)生在占空比為 50% 時，此時有 VIN= 2 x VOUT，因此便常將 VIN= 2 x VOUT? 時的 IRMS≈0.5 x IOUT_MAX 用于設計中。需要注意的是由電容制造商提供的紋波電流承載能力通常是以 2000 小時壽命為計算依據(jù)的，因而比較明智的做法是要給電容更多的降額使用空間，或者是要選擇比實際需求更高的電容使用溫度等級。

現(xiàn)實中常常需要將多只電容并聯(lián)使用來滿足應用對尺寸、高度和熱性能的需求，遇到輸入電壓很低的應用時還需要使用很多大容量的輸入電容來滿足負載變化期間將瞬態(tài)效應的影響最小化的需求。

陶瓷電容因為具有尺寸小、耐折騰、ESR 很低等特性而成為開關模式轉換器最佳的輸入電容選擇，但在使用它們時卻必須非常小心，因為陶瓷輸入電容在結合上線路電感以后就形成了一個品質因數(shù)很高的諧振電路，假如將這樣設計的 RTQ6363 應用電路直接插入已帶電的電源，其輸入端就可能出現(xiàn)高達額定電壓 2 倍的振鈴信號，完全可能超出 IC 的最大電壓承受能力。要想避免這樣的狀況發(fā)生，最簡單的做法是給低 ESR 的陶瓷輸入電容并聯(lián)一只具有較高 ESR 的大容量電容，它可以起到對電壓振鈴信號的抑制作用。

輸入電容應該被放置在盡可能接近 IC 的 VIN 和 GND 的地方，其連接形成的電感要盡可能地低才好。VIN 端要求的旁路電容有效容量至少得有 3μF，在工作頻率為 400kHz 的應用中，可以將兩只 4.7μF/X7R 的電容連接在 VIN 和 GND 之間。如果工作頻率更低，需要的輸入電容便要更大。為了消除高頻噪聲，另外的 0.1μF 小電容應該和這些器件放在一起來使用，其封裝規(guī)格應該是 0402 或 0603 的。為了在寬闊的溫度范圍內(nèi)和輸入電壓變化的情況下都能獲得最佳的性能，所選陶瓷電容最好是 X7R 類型的。（未完待續(xù)）

轉載自RichtekTechnology