Transcript 电压模式

压降补偿功能LDO及低压高速开关电源的
应用设计方案
内容概要
1. 有压降补偿功能的 LDO
-用途
-控制方式
-产品
2. 开关电源
-控制方式（电压模式和电流模式的不同）
-电压模式电源
-电流模式电源
-高速电源
3. 新日本无线电源相关产品介绍
2
有压降补偿功能的 LDO
3
带USB接口的电子设备
AV功放
车载音响及导航仪
USB接线
电脑
充电器
4
关于USB充电的接线问题
Long Cable
Main Part
USB Port
Smart
Phone
Tablet
Main Part
5
关于USB充电的接线问题
① 接线电阻产生压降
终端电压降低引起充电速度减慢，电压不稳定导致很难满足充电规格
电阻
Main Part
电压(V)
电阻
电阻
(B点)
(A点)
电压(V) = 电流(I)  电阻(R)
5.0V
(A点)
电阻产生压降
(B点)
电阻(R)
USB规格 VO=4.75V ~ 5.25V
USB2.0 : IO=500mA
USB3.0 : IO= 900mA
Apple规格： 4.75V5.25V/1000mA
接线端(B点) : 4.90V以上
6
关于USB充电的接线问题
② 负载电流引起压降
终端电压降低引起充电速度减慢，电压不稳定导致很难满足充电规格
电阻
Main Part
电阻
电阻
(B点)
(A点)
负载电流
电压(V)
5.0V
(A点)
负载电流变化引起压降
(B点)
电流(I)
7
目前的电路构成
估算压降后设定输出电压
Surge
Absorber
VO=5.5V
Switching
Regulator
Series
Regulator
USB Bus Power
5.0V/0.5A~0.9A
12V Battery
估算压降后设定输出电压
VO=5.5V
Switching
Regulator
AC Power
Series
Regulator
USB Bus Power
5.0V/0.5A~0.9A
AC / DC Converter
+
各厂家各自定出最长接线规格，估算出压降，相应提高输出电压
例) USB规格:最长线长 5m, T公司规格：3m（电阻值0.313Ω）
8
有压降补偿功能的电源
Surge
Absorber
VO
Switching
Regulator
NJM2815
USB Bus Power
5.0V/0.5A~0.9A
12V Battery
改变RADJ 电阻
就能调节Load Regulation
VO
Switching
Regulator
AC Power
NJM2815
USB Bus Power
5.0V/0.5A~0.9A
AC / DC Converter
推荐使用内有输出电压校正功能的NJM2815产品，就能够减少接线阻抗搭配的
设计工作量，提高设计速度。
9
压降补偿功能解说
电阻
Output Voltage (A点)
Output Current
电阻
(B点)
(A点)
USB Port Voltage (B点)
Main Part
电阻
电压不变
Load Current
10
NJM2815 : 有电压校正功能 Io=1A 的 LDO
改变 RADJ 电阻值，
可以改变Load Regulation（电压校正）
VO (USB)
VIN
VO
VIN
VCONT
VO_ADJ
5.40
H : ON
L : OFF
+0.25V
5.35
Output Voltage (V)
CONT
Load_ADJ
5.30
FAULT
RADJ=10kΩ
5.25
GND
GND
+0.1V
5.20
5.15
标准输出电压 5.1V ± 1.0%
RADJ=5.1kΩ
5.10
5.05
5.00
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Output Current (A)
11
其他功能
-易于构成USB电源的便利功能
< 软启动功能>
减少冲击电流
< 带延迟功能的ErrorFlag输出 >
10
7.0
5
6.0
0
5.0
-5
4.0
-10
3.0
-15
2.0
-20
1.0
-25
0.0
コントロール電圧：V
（V)
Voltage : VCONT
Control
CONT[V]
出力電圧：Vo(V)
Voltage : Vo [V]
Output
VIN=6.1V Co=22uF(ｾﾗﾐｯｸ),CIN=10uF(Cera)Tr=1usec
8.0
▪ 通报有过电流、短路、过热
▪ 能应对HotPlug
▪ 备有2种ErrorFlag
- Auto Release Type
- Latch Type
VOUT
Auto Release Type
-30
0
2
4
6
8
10
時間：t(ms)
Time
: t [ms]
Latch Type
< 保护功能 >
▪ 过电流保护电路
▪ 短路保护电路
▪ 过热保护电路（TSD）
Short
12
应用电路例
有多个USB接口时，使用NJM2815能简单构成电源电路
USB1
VO
用于校正Load Regulation
V O_ADJ
CNT
Load_ADJ
FLT
GND
DC/DC
V IN
GND
USB2
VO
V IN
ON/OFF
若把Vo_ADJ端子接地，输出
电压为5.15V。
V O_ADJ
CNT
Load_ADJ
FLT
ERROR
GND
µCOM
GND
Other Pow er
VO
若把Load_ADJ接地，将无电
压校正功能。
V IN
V O_ADJ
CNT
Load_ADJ
FLT
GND
GND
13
压降补偿功能系列产品
NJW4119 : 开关稳压器类型
输出电流 2A : For Tablet
NJM2815 : LDO类型
输出电流 1A : For Smart Phone
• 耐圧
• 输出电流
• 输出电压
• 输出电压校正
• 输出Sink功能
• 输出电容器
• Soft Start功能
• Error Flag输出
• 保护功能
• 封装
• 耐圧
: 45V
• 输出电流
: 2.1A
• 输出电压
: 5.1V±1.0%@Ta=25ºC
• 输出电压校正 : 0.25V typ. 0 to 2A @ RADJ=10kΩ
• 与外部同步功能
: Ceramics or Electrolytic Capacitor
• Soft Start功能
: 4ms typ.
• Error Flag输出 : 带延迟功能
: 带延迟功能(Auto Release, Latch Type) • 保护功能
: 过电流、短路、过热 保护
: 过电流、短路、过热 保护
• 封装
: HTSOP-24
: HSOP-8
: 10V
: 1A
: 5.1V±1.0%@Ta=25ºC
: 0.25V typ. 0 to 1A @ RADJ=10kΩ
VO (USB)
VIN
VO
VIN
VCONT
VO_ADJ
Load_ADJ
GND
CONT
H : ON
L : OFF
Under Development
FAULT
GND
14
开 关 电 源
15
开关稳压器（电压模式）
开关稳压器的反馈控制方式主要分为电压模式和电流模式。
< 电压模式 >
通过反馈环路，只把输出电压反馈给输入端的反馈方式。
输出电压经分压后，用Error AMP同基准电压比较、放大，所得差值再和三角波
比较，然后决定PWM 信号脉宽，最终调节开关达到控制输出电压。
Tr
L
VOUT
VIN
SBD
COUT
Error Amp
PWM Comp.
Vref
R2
电压信号
R1
16
开关稳压器（电流模式）
< 电流模式 >
在电压反馈电路里追加了电感电流反馈环路。
在控制ON Duty 的 PWM Comp.输入端输入电感电流控制信号。
电流模式更容易提高电源的频率特性，改善动态响应特性和稳定性。
L
Tr
VOUT
VIN
COUT
SBD
Error Amp
电流信号
Vref
PWM Comp.
Current
Sence
R2
电压信号
R1
Σ
Slope
Comp.
17
开关稳压器反馈控制方式比较
电压模式
电流模式
构成
使用输出电压信号来控制。
电压反馈
输出电压和电感电流2种信号来控制
电压+电流反馈
相位补偿设计
各电路都需要配置
容易（易于内置）
使用输出电容器
很难让电路稳定工作
容易
动态响应特性
慢
快
振荡频率
无论固定还是可变
需要固定
最小ON时间
无限制
限制在几%
新日本无线都有这两种模式的开关稳压器。
18
电压模式产品的低压工作原理(现有电路)
此电路构成，输入输出电位差最低需要约2V，所以不能实现低压工作
VDD
VDD
R1
MP1
5.3V
MP2
VREG_NS
MN
ON/OFF
Circuit
D1
VREG_NS
R2
VREG
Circuit
VREG
VREG
VB
当VDD降至5.3V时，为了确保最低输入输出电位差，
输出VREG开始降低，导致将不能驱动负载。
因此，输入电压(VDD)无法实现低电压工作。
19
低压工作的电路构成
②
VDD
D2
R1
③
R3
MP1
5.6V
MP3
MP2
R4
MN1
ON/OFF
Circuit
D1
VREG_NS
VREG_NS
R2
VREG
Circuit
MN3
UVLO
VDD
MN2
VREG
VREG
VB
C
①
①检测出低电压(5.6V以下) → MN3 ON
②MN3 ON之后，MP3的Gate电位降低，导致MP3 ON
③于是VDD将直接驱动VREG电路，输出VREG可保持不变，
最终能够实现低压工作
20
NJW4152
低饱和稳压
即使冷启动时蓄电池电压低，也能确保稳定的Load Regulation特性
・能以低压工作，即使冷启动也能确保工作电压
・Duty最大100%，能低饱和稳压工作
NJW4152-AB Buck Converter
Input Voltage vs. Output Voltage
3.5
Output Voltage Vout (V)
3.4
Iout=500mA
3.3
3.2
3.1
3
2.9
当VIN 为4.3V时，
能稳定驱动3.3V微处理器
Iout=1A
2.8
2.7
2.6
2.5
3
3.2
3.4
3.6
3.8
4
4.2
4.4
4.6
4.8
5
Input Voltage Vin (V)
低UVLO的AB版本特性例
21
NJW4152
内置0.6A/1A MOS FET 的降压型开关稳压器
- 内置0.6A/1AのMOS FET，振荡频率可变，能满足既注重效率又要求小型化的需求
- 保证125℃工作，广泛应用于从车载AV到各种ECU
■ 性能
 电压模式控制
 宽压范围
 开关电流
■ 应用电路图
高频率使L小型化
4.6V～40V (耐圧 45V)
1A min. (Ver.A)
0.6A min. (Ver.B)
 PWM控制方式
 能对应陶瓷电容器
 振荡频率
300kHz1MHz
 软启动功能
4ms typ.
 低压故障保护电路
 过电流、过热保护功能
 待机功能
■ 封装
CIN2
■ 应用
传感器、逆变器、PLC、车载AV、收音机
V IN
CIN1
ON/OFF
High: ON
Low: OFF
(Standby)
4
RT
3
RT
2
ON/OFF V
+
输出：
HSOP8封装: 1A
VSP8封装： 0.6A
1
PV
+
NJW4152
可任意设定
振荡频率
IN-
FB
GND
SW
5
6
7
8
L
COUT
RNF
V OUT
CFB
SBD
R2
RFB
CNF
■ 系列
产品名
HSOP8
MSOP8(VSP8)
输入：
耐圧=45V,
工作电压=40V
R1
ver.
输出电流
工作电压范围
封装
NJW4152GM1-A
A
1.0A
4.6～40V
HSOP8
一般规格
-40～+85C
NJW4152GM1-A-T1
A
1.0A
4.6～40V
HSOP8
T1规格
-40～+125C
NJW4152GM1-AB
AB
1.0A
3.6～40V
HSOP8
一般规格
-40～+85C
NJW4152GM1-AB-T1
AB
1.0A
3.6～40V
HSOP8
T1规格
-40～+125C
B
600mA
4.6～40V
VSP8
一般规格
-40～+85C
NJW4152R-B
工作温度范围
22
NJW4153
电流模式、内置1A MOSFET的降压型开关稳压器
- 内置相位补偿电路，能以最少外接部件构成
- 最适合微处理器、DSP等要求瞬态响应特性的电源
■ 性能
▪ 电流模式控制
▪ 宽压范围
▪ 开关电流
▪ PWM控制方式
▪ 内置相位补偿电路
▪ 待机功能
▪ 能对应陶瓷电容器
▪ 振荡频率
▪ 软启动功能
▪ 低压故障保护电路
▪ 过热保护电路
▪ 过电流保护功能
▪ 封装
■ 应用电路图
: 4.6V to 40V
: 1.4A min.
V+
L
+
V
COUT
VOUT
SW
CIN
NJW4153
CFB
ON/OFF
GND
R2
IN-
SBD
: 1MHz
: 4ms typ.
R1
ON/OFF
High: ON
Low: OFF
(Standby)
: SOT-89-5, DFN8-V1
■ 封装图
NJW4153U2 NJW4153KV1
( SOT-89-5 ) ( DFN8-V1 )
23
负载瞬态响应特性比较
NJW4153是电流模式控制，有良好的瞬态响应特性。
NJW4153
NJW4152
600
600
400
OUTPUT CURRENT
200
5.2
0
5
OUTPUT VOLTAGE
变化量 400mV
4.6
4.4
0
40
80
120
400
OUTPUT CURRENT
200
5.2
0
5
OUTPUT VOLTAGE
4.8
变化量 50mV
4.6
160
4.4
200
0
40
TIME：t(us)
NJW4152
600
0
5
OUTPUT VOLTAGE
变化量 300mV
40
80
120
TIME：t(us)
OUTPUT VOLTAGE：Vo(V)
600
OUTPUT CURRENT：Io(mA)
OUTPUT VOLTAGE：Vo(V)
800
400
5.2
0
200
800
200
4.4
160
VIN=12V,Io=200-500mA
OUTPUT CURRENT
4.6
120
NJW4153
TIME：t(us)
VIN=12V,Io=200-500mA
4.8
80
400
OUTPUT CURRENT
200
5.2
0
5
OUTPUT VOLTAGE
4.8
变化量 50mV
OUTPUT CURRENT：Io(mA)
4.8
OUTPUT VOLTAGE：Vo(V)
800
OUTPUT CURRENT：Io(mA)
OUTPUT VOLTAGE：Vo(V)
800
OUTPUT CURRENT：Io(mA)
VIN=12V,Io=200-500mA
VIN=12V,Io=200-500mA
4.6
160
200
4.4
0
40
80
120
160
200
TIME：t(us)
NJW4152注重稳定性，Cout=4.7uF配置，与NJW4153相比应用设定更加严格。
24
内置电流模式相位补偿使电路简单化
条件 : VIN = 12V / 24V
VOUT = 5V
IOUT = 1A
NJW4152电路例（电压模式）
V IN
12V
PV
+
L
22µH/2.5A
SBD
COUT
4.7µF
CFB
220pF
L
10µH/2.1A
V IN
12V
CIN1
10µF
V+
SW
SBD
COUT
22µF
CFB
27pF
V OUT
5.0V
R2
160kΩ
R2
27kΩ
GND
CIN2
0.1µF
CNF
RNF
4.7µF 3.3kΩ
ON/OFF
V OUT
5.0V
SW
CIN1
10µF
V+
NJW4153电路例（电流模式）
RFB
0kΩ
ON/OFF
FB
GND
IN-
R1
30kΩ
R1
5.1kΩ
RT
RT
27kΩ
IN-
减少外接部件使电路设计简单化
原11个→ 减少为7个
（为不让电源电路产生自激振荡的相位补偿电路
设计变得简单）
25
NJW4128 / NJW4154 / NJW4155 (*UD)
电流模式、内置 2.5A / 3.0A / 1.5A MOS FET 的 降压型开关稳压器
- 不需要外加相位补偿器件，有利于节省空间、降低成本
- 备有Power Good端子，宜于微处理器稳定工作和各电源IC之间相互控制
- 有良好的瞬态响应特性，即使是负载变动很大的微处理器也能很好跟随变化
■ 系列产品
■ 特性
▪ 电流模式控制
▪ 能与外部时钟同步
▪ 宽压范围
: 4.5V to 40V
▪ 开关电流
: 2.5A, 3.6A, 4.5A min.
▪ PWM控制方式
▪ 待机功能
▪ 内置相位补偿电路
▪ 能对应陶瓷电容器
▪ 振荡频率
: 300kHz to 450kHz
▪ 软启动功能
: 4ms typ.
▪ 低压故障保护电路
▪ 过电流保护功能 ( Hiccup方式 )
▪ 过热保护功能
▪ Power Good 功能 ( 仅限 HSOP8 PKG )
▪ 封装
: HSOP8, TO-252-5
产品名
输出电流
[A]
振荡频率
[kHz]
封装
NJW4155 (U.D.)
1.5
300
HSOP8
TO252-5
NJW4128 (MP)
2.5
300, 450
HSOP8
NJW4154 (MP)
3
300
HSOP8
TO252-5
■ 封装图
HSOP8
5.2×6.2×1.55mm
TO-252-5
26
NJW4128
负载瞬态响应特性例
VIN=12V, VOUT=3.3V
IOUT=10mA to 1.5A
VIN=12V, Vout=3.3V
IOUT=500mA to 1.5A
ΔV=80mV
Vout(100mV/DIV)
ΔV=140mV
Vout(100mV/DIV)
△140mV
△80mV
IL：0.5A→1.5A
(0.5A/DIV)
IL：0A→1.5A
(0.5A/DIV)
Vin=12V
Vin=12V
10s/DIV
10s/DIV
⊿120mV
* Reference
VIN=12V, VOUT=3.3V
IOUT=500mA to 1.5A
27
NJW4128 / NJW4154 / NJW4155 (*UD)
~ 过电流保护功能 Hiccup 方式的优点 ~
逐脉冲方式限制过电流，开关电流持续流动，当输出电压降低时，电流将增
加会产生发热。
使用Hiccup方式时，间隔一定期间停止再启动，就可以抑制能量（发热）。
当输出电压降低时，振荡频率将减为1/3 ，
从而抑制开关电流
< Pulse by Pulse >
4
ON
SW Pin
OFF
过电流保护工作期间
伴随负载恢复
回归正常工作
< Hiccup >
输出电压 [V]
3
Hiccup
2
Normal
1
50~100 Count
24ms
4ms
ON
0
0
SW Pin
500
1000
1500
2000
输出电流 [mA]
OFF
过电流保护
工作期间
开关停止
工作期间
软启动恢复期间
增设停止期间，更能抑制能量
28
为何要求SW.REG.的频率要外部同步或 2MHz以上
SW.REG.的开关频率接近于AM广播频带。
如果频率重叠使用，将导致AM广播的S/N比降低。
那么，解决办法有以下几种方式。
①外部同步功能
使用微处理器的时钟信号改变SW.REG.的开关频率
②使用2MHz以上的频率
使用比AM广播频带高的频率
③使用250kHz以下的频率
使用比AM广播频带低的频率（以前的解决方法）
③250kHz以下
①外部同步功能
避开频率冲突
调谐
②在2MHz以上工作
SW.REG.开关频率
AM广播频率
530kHz
1600kHz(中国)
设计定到1800kHz
29
各种方法和相对应用的区分
外部同步功能
300k～1MHz
2MHz以上
250kHz以下
ECU、Meter Panel
A part of Car AV
Idling Stop
High power applications
相对应用
Car AV
方法选用的理由
为掌握AM接受信号频
率而选择最佳SW.频率。
若用2MHz以上频率，
很可能效率会下降而引
起发热。
想得到最大最小Duty。
L,C等部件尺寸
一般
小
小
转换效率
好
可能降低
一般
对FM广播的干扰
（中国FM广播范围：
88~108MHz)
没有
因为接近于FM频率，
有干扰可能。
Car AV可使用外部同步
来解决。
没有
因为低频，很难干扰
相应产品
降圧： NJW4128
NJW4154
NJW4155
升压： NJW4132
降圧： NJW4170
NJW4171
NJW4172
升压： NJW4132
降圧： NJW4160
升压： NJW4140
升压2-Phase：NJW4141
和音响有不同的安装空间， 和音响有不同的安装空间，无
无法知道AM的状况。
法知道AM的状况。
使用的是比AM频带高的频 使用的是比AM频带低的频率，
率，可解决噪声问题。
可解决噪声问题。
想避开CISPR的6MHz频率。 大功率电路为避免效率下降，
选用低频带。
30
NJW4170
内置600mA, 1A MOS FET的降压型开关稳压器
■ 性能
▪ 振荡频率
: 2.4MHz typ.
▪ 最小ON Time
: 80ns typ.
▪ 电流模式控制
▪ 能与外部时钟同步
▪ 宽压范围
: 4.5V to 40V
▪ 开关电流
: 1.4A* min. (TBD)
▪ PWM控制方式
▪ 待机功能
▪ 内置相位补偿电路
▪ 能对应陶瓷电容器
▪ 软启动功能
: 4ms typ.
▪ 低压故障保护电路
▪ 过电流保护功能 ( Hiccup方式 )
▪ 过热保护功能
把振荡频率设为2.4MHz，可避开
干扰AM广播频带。
最适合12V→5V的应用。
输出易于使用
陶瓷电容器
■ 应用
V+
L
+
V
■ 封装图
1A输出
COUT
VOUT
SW
CIN
NJW4153
NJW4170
CFB
ON/OFF
GND
R2
IN-
SBD
NJW4170U2 NJW4170KV1
( SOT-89-5 ) ( DFN8-V1 )
R1
ON/OFF
High: ON
Low: OFF
(Standby)
内置相位补偿
电路
高速SW驱动
使L小型化
31
新日本无线开关稳压器系列产品(降圧)
Dotted Line : Under Development
Current Mode
Voltage Mode
NJW4170 (UD)
Io=1A, SOT89, ESON8
fosc=2.4MHz, Ext. sync.
High Freq.
2MHz over
NJW1933
Io=600mA, SOT23
fosc=500kHz
NJW4150
Io=300mA, TVSP8
fosc=1MHz
NJW4155 (UD)/ NJW4128/ NJW4154
Io=1.5A/ 2.5A/ 3A HSOP8, TO252
fosc=300kHz/450kHz, Ext. sync.
Ext. sync. w/Power Good
NJW4158
NJW4153
Io=8A, TO220-4pin
Io=1A, SOT89, DFN8
fosc=150kHz
fosc=1MHz
Built-in phase compensation circuit, Fast transient Ready for iPad
NJW4119 (UD)
NJW4152-B
NJW4152-A
Io=2.1A Vo correction
Io=600mA, MSOP8 Io=1A, HSOP8
HTSSOP24
fosc=300k ~ 1MHz fosc=300k ~ 1MHz
External
MOSFET drive
NJW4160 1ch MOSFET Drive (5V)
VSP8, DMP8, fosc=50k ~ 1MHz
Output Current
500mA
1A
3A
8A
32
新日本无线开关稳压器系列产品(升压)
Current Mode
Voltage Mode
NJW4132
40V/1.75A, SOT89
fosc=300k/700kHz Ext. sync.
Vin=4～40V
Built-in phase compensation circuit, Fast transient, Ext. sync.
NJW4130
40V/450mA, TVSP8
fosc=700kHz
NJW4131-B
40V/1A, VSP8
fosc=300k ~ 1MHz
Vin=2.3 ~ 5.5V
Vin=4 ~ 35V
NJW4131-A
40V/1.4A, HSOP8
fosc=300k ~ 1MHz
Vin=4 ~ 35V
NJU7678
60V/3A, EQFN24
fosc=300k ~ 1MHz
Vin=2.5 ~ 7V
NJW4140 1ch MOSFET Drive (5V)
VSP8, DMP8, fosc=40k ~ 1MHz
External MOSFET drive
Fly-back
Vin=3 ~ 40V
500mA
1A
Peak Current
3A
* Peak current which flows into MOSFET
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