低压同步PWM控制器MIC2183及其应用

    摘要：MIC2183是MICREL公司生产的高频PWM同步跳跃式控制集成电路。它的输入电压范围宽达2.9～14V，并具有振荡器输出功能。其PWM控制方案可以在很宽的负载范围内达到90%以上的效率，可广泛用于需要将3.3V电压变换成2.5V、1.8V或者1.5V的应用系统以及直流电源配置、无线式调制解调器、ADSL在线卡、一到两节锂离子电池的供电系统和卫星电话等系统中。文中介绍了MIC2183的主要特点、引脚功能和内部结构，给出了它的典型应用电路和外围元件的选择原则。

    关键词：低压同步 PWM控制 电压变换 MIC2183

1 概述

MIC2183是MICREL公司生产的一种高频PWM同步跳跃式控制集成电路。它的输入电压范围宽达2.9～14V，可用在1～2节锂离子电池供电的应用系统中设置电压的步长，而且，其效果可以和固定的3.3V、5V和12V电压系统相比美。

利用MIC2183的PWM控制方案可以在很宽的负载范围内达到90%以上的效率。其操作频率可以由连接在FREQ/2和VDD之间的自举电路来提供，从而可使用户设计的线路板的布局达到最优。同时也可使MIC2183的外部同步频率实际达到400kHz。

MIC2183的另一个重要特性是具有振荡器输出功能，它具一个可以低压应用系统中实现简单充电泵功能的FreqOut输出引脚，该充电泵输出可以由VINP引脚拉入门驱动电源电路。这一特性能够增强门电路的驱动能力，从而可以在较低的输入电压下获得更高的效率。MICREL公司还为MIC2183设计有低功耗关断休眠模式，在关断模式时，MIC2183的消耗电流只有1μA。同时，该器件还具有可编程欠压封锁功能，可在小型便携式应用系统中很好地实现匹配。

MIC2183采用16脚SOP封装形式，它可以在-40℃～+85℃的环境工作温度范围内正常工作，其结温范围为-40～+125℃。另外，它还具有如下主要特性：

●输入电压范围宽达2.9～14V；

●效率大于90%；

●具有400kHz的振荡频率；

●可用两个引脚对频率进行隔离；

●可将频率同步到600kHz；

●具有可在低压系统应用中实现简单充电泵功能的FreqOut振荡输出引脚；

●可用于低压系统；

●具前端隔离特性；

●输出驱动典型阻抗为5Ω；

●具有软起动功能；

●可进行PWM电流模式控制；

●关断模式时的电流消耗仅为1μA；

●采用循环式限流模式；

●具有频率反馈式短路保护功能；

●可以调整负载输出电压。

MIC2183低压PWM控制集成电路以其诸多优点可广泛应用于需要将3.3V电压变换成2.5V、1.8V或者1.5V的应用系统之中，同时，它也可广泛应用于直流电源配置、无线式调制解调器、ADSL在线卡、一到两节锂离子电池的供电系统以及卫星电话等系统中。

2 功能和参数

2.1 引脚功能

MIC2183的引脚排列如图1所示。各引脚的功能说明见表1所列。

表1 MIC2183的引脚功能

引脚号引脚名称引   脚   功   能1VINA模拟电压输入引脚。该脚在电源上时，其模拟电压“死区”时间内，不一定和MIC2183的VINP引脚（16脚）保持相同电压2FreqOut片内振荡器频率输出端口。该脚可用来提供相于二分之一开关频率的数字信号输出。其输出振幅范围在0～3V之间，可用来驱动外部电容，以给VINP端提供一个更高的电压3SS软启动引脚。用于减少浪涌电流并延迟输出电压的上升时间。一个5μA的电流源可以为SS端口上的电容进行充电以使其电压上升到VDD。电容的大小决定着电压上升到VDD的上升时间。一个1μF的电容器可以使软启动的上升时间控制1.5ms左右4COMP输出补偿端。为内部差分放大器的输出。此脚连至一个电容器或个RC网络可以用来对MIC2183的控制回路进行补偿5SGND小信号接地端。使用时通常接到输出电容的负端6FB电路反馈输入端，该脚的电压通常被控制在1.245V7EN/UVLO复位/欠压关闭输入引脚。该脚 为低电平时，器件的电源电压将被关断，以便使电路的静态电流降低到5μA以下。EN/UVLO端具有两种工作状态：当其电压位与1.5V以下时，器件将关闭输出转换功能；而当该端电压降低到0.9V以下时，整个器件将进入完全的低功耗关断模式。因此，1.5V电压可以说是MIC2183的欠压关闭门限电压，但是，该1.5V门限电压具40mV的延迟8CSL限流电容输入负端。若在CSL和CSH引脚之间设置一个100mV的固定偏差，那么，就可以通过一个电流检测电阻来设置器件的限流门限。CSL脚同时也是MIC2183内部电流放器的反向输入端9CSH限流电容输入正端。在CSH和CSL引脚之间设置个100mV的固定偏差，即可通过个电流检测电阻设置器件限流门限电平。CSH脚同时也是MIC2183内部电流放大器的正向输入端10VDD器件内部3V线性调节输出，该端同时也是芯片的电源总线。使用时应连接一个1μF的旁路电容11SYNC频率同步信号输入端。通常该端口上连接一个外部时钟同步信号振荡器。其信号幅值在高于1.5V时将启动开转换周期。该脚不用时应连接到SGND脚12PGNDMOSFET驱动功率接。通常连接到同MOSFET的源极电容器的负端13OUTN大电流驱动输出端，用于驱动同步N沟道MOSFET。其电压摆幅可从端达到VINP。其线阻抗典型值为5Ω14OUTP大电流驱动输出端，用于驱动度边P沟道MOSFET。其电压摆幅为0～VINP，典型阻抗值为5Ω15FREQ/2振荡频率设置引脚。该脚为低电平时，振荡频率为400kHz；该脚接至VDD时，振荡频率为100kHz16VINP电路电源电压输入端，用来激励输出门极驱动器。如果电路中接入有电流检测电阻Rcs，那么，该端同时用和RCS相连

2.2 主要参数

MIC2183是一个输入电压很宽的PWM控制器，其输入电压范围宽达2.9～14V，输出电压范围为1.3V～12V。下面是MIC2183的主要极限参数：

●最高电源电压（VINA，VINP）：15V；

●数字电源电压（VDD）：7V；

●COMP脚、反馈脚和使能脚电压：-0.3V～3V；

●电流检测电压：-0.3V～+1V；

●SYNC和FREQ/2脚电压：-0.3V～+7V；

●最大功耗：400mW；

●储存温度：-65℃～+150℃。

3 结构原理

MIC2183是一个BiCMOS开关模式同步转换控制器。它和一个N沟道MOSFET和一个P沟道MOSFET一起可以构成一个控制电路，利用该电路可以对变换操作进行100%的占空比控制，而不需要再增加高边驱动电路。MIC2183的电流模式控制可以用来完成电路瞬变纹波和负载的调整。当电路工作在50%的占空比时，器件内部的斜坡矫正电路可以为电路提供斜坡补偿。MIC2183的效率非常高，可用于高效DC-DC的转换应用方面。图2是MIC2183同步转换控制器的内部结构原理图。

4 应用

MIC2183的典型应用电路连接图如图3所示。在开关周期的开始时，OUTP引脚为低电平，高边P沟道MOSFET管Q1（Si9803DY）被打开，电流通过电流检测电阻RSENSE、Q1和电感L1从输入流向输出。电路中的L1的主要作用是避免电路电流迅速增大而出现瞬变。电流检测电阻上电压降的大小将影响MIC2183内部斜坡补偿电路稳定性。因为该信号将用来和MIC2183内部差分放大器的输出进行比较。当该电流信号等于差分电压信号时，电路中的P沟道MOSFET将被关断。此时电感电流将从D1二极管中流过，直到电路中的N沟道MOSFET导通而使电路同步为止。由于低边MOSFET上的压降低于二极管上的压降，因而改善了同步转换控制器的效率。在开关周期结束时，同步MOSFET被关断，电路进入下一个循环工作周期。

图3中，MIC2183除了用于同步以外，还起着驱动高边P沟道MOSFET和低边N沟道MOSFET的作用。设计时，将高边P沟道MOSFET的源极连接到电路的电源输入端。OUTP端钭该P沟道MOSFET的门极拉为低电压时，MOSFET导通。使用P沟道MOSFET的目的主要是它不需要象N沟道MOSFET那样需要在电路中增加自举电路来将其门极电压推至比电路的输入电压更高的水平。

    将VINP引脚连接到电源端可以为MIC2183的两个门驱动引脚OUTA和OUTB提供驱动电压。因此，通常在设计时把VINP引脚接到电路的电源上，并与CSH引脚接在同一电位上。

在用于转换补偿拓扑时，通常应选择VGS电压比输入电压更低的P沟道MOSFET。因为过高的门电压将减缓MOSFET的开关时间，从而使MIC2183的驱动转换能力受到限制。而过长的转换时间又将引起MOSFET上功耗的增加，进而增加整个电路的功率消耗。因此，电路中的MOSFET应该能够在两个MOSFET无交越时完全充分地开和关。其功耗PGATE-DRIVE的计算公式如下：PGATE-DRIVE=QGATEVINPFs

式中Q：GATE为电路中P沟道和N沟道MOSFET的总门电荷，Fs为开关频率，VINP为加在VINP引脚上的驱动电压。另外，图3中的两个电阻R1和R2的作用是调整输出电压VOUT。其关系式如下：

VOUT=VREF=[(R1/R2)]