MPQ4420HGJ DCDC电源设计

芯片简介

MPQ4420H 是一款高频、同步、整流、降压、开关模式带有内置功率 MOSFET 的转换器。它提供了一个非常紧凑的解决方案，以实现 2A 具有出色负载的连续输出电流在宽输入电源和线路调节范围。 MPQ4420H 具有同步模式操作以提高输出效率当前负载范围。电流模式操作提供快速瞬态响应并简化回路稳定。全面的保护功能包括过电流保护和热关断。 MPQ4420H 需要最少数量的随时可用的标准外部组件，并提供节省空间的 8 针 TSOT23 封装。

特征：

        • 4V 至 36V 宽范围连续工作输入范围

        • 90mΩ/55mΩ 低 RDS(ON) 内部电源 MOSFET

        • 高效同步模式手术 • 默认 410kHz 开关频率

        • 同步到 200kHz 至 2.2MHz 外部时钟

        • 汽车冷启动的高占空比

        • 省电模式

        • 内部软启动

        • 电源良好

        • OCP 保护和打嗝

        • 热关断

        • 输出可调从 0.8V

        • 采用 8 引脚 TSOT-23 封装

        • 适用于 AEC-Q100 1 级

TYPICAL APPLICATION CIRCUITS（典型电路）

电路设计分析

要求需要设计车规级一款输入13.2V输出5V的DCDC电源。

１、芯片引脚的定义

Package Pin #	Name	Description
１	PG	Power Good. The output of this pin is an open drain and goes high if the output voltage exceeds 90% of the nominal voltage
２	IN	Supply Voltage. The MPQ4420H operates from a 4V to 36V input rail. Requires C1 to decouple the input rail. Connect using a wide PCB trace.
３	SW	Switch Output. Connect using a wide PCB trace.
４	GND	System Ground. This pin is the reference ground of the regulated output voltage, and PCB ayout requires special care. For best results, connect to GND with copper traces and vias
５	BST	Bootstrap. Requires a capacitor connected between SW and BST pins to form a floating supply across the high-side switch driver. A 20Ω resistor placed between SW and BST cap is strongly recommended to reduce SW spike voltage.
６	EN/SNC	Enable/Synchronize. EN high to enable the MPQ4420H. Apply an external clock to the EN pin to change the switching frequency.
７	VCC	Bias Supply. Decouple with 0.1μF-to-0.22μF capacitor. Select a capacitor that does not exceed 0.22μF.
８	FB	Feedback. Connect to the tap of an external resistor divider from the output to GND, to set the output voltage. The frequency fold-back comparator lowers the oscillator frequency when the FB voltage is below 660mV to prevent current limit runaway during a short-circuit fault condition.

２、芯片内部电路图

３、电器特性

VIN = 12V, TJ = -40°C to +125°C, unless otherwise noted. Typical values are at TJ=+25°C.

Parameter	Symbol	Condition	Min	Type	Max	Units
电源电流（关断）	$\small I$ $\small SFDN$	$\small V$ $\small EN$ =0V			8	uA
电源电流（静态）	$\small I$ $\small Q$	$\small V$ $\small EN$ =2V, $\small V$ $\small FB$ =1V		0.5	0.7	mA
HS Switch-ON Resistance	$\small R$ $\small ON-HS$	$\small V$ $\small BST-SW$ =5V		90	155	mΩ
LS Switch-ON Resistance	$\small R$ $\small ON-LS$	$\small V$ $\small CC$ =5V		55	105	mΩ
Switch Leakage	$\small I$ $\small LKG-SW$	$\small V$ $\small EN$ =0V, $\small V$ $\small SW$ =12V			1	uA
Current Limit	$\small I$ $\small LIMIT$	Under 40% Duty Cycle	3	4.2	2.2	A
Oscillator Frequency	$\small f$ $\small SW$	$\small V$ $\small FB$ =750mV	320	410	500	kHZ
Fold-Back Frequency	$\small f$ $\small FB$	$\small V$ $\small FB$ <400mA	70	100	130	kHZ
Maximum Duty Cycle	$\small D$ $\small MAX$	$\small V$ $\small FB$ =750mV 410kHZ	92	95		%
Minimum ON Time	$\small t$ $\small ON-MIN$			70		ns
Sync Frequency Range	$\small f$ $\small SYNC$		0.2		2.4	MHZ
Feedback Voltage	$\small V$ $\small FB$	$\small T$ $\small J$ =25°	780	792	804	mV
Feedback Voltage	$\small V$ $\small FB$		776		808	mV
Feedback Current	$\small I$ $\small FB$	$\small V$ $\small FB$ =820mV		10	100	nA
EN Rising Threshold	$\small V$ $\small EN RISING$		1.15	1.4	1.65	V
EN Falling Threshold	$\small V$ $\small EN FALLING$		1.05	1.25	1.45	V
EN Threshold Hysteresis	$\small V$ $\small EN-HYS$			150		mV
EN Input Current	$\small I$ $\small EN$	$\small V$ $\small EN$ =2V		4	6	uA
EN Input Current	$\small I$ $\small EN$	$\small V$ $\small EN$ =0V		0	0.2	uA
VIN Under-Voltage Lockout Threshold-Rising	$\small INUV$ $\small RISING$		3.3	3.5	3.7	V
VIN Under-Voltage Lockout Threshold-Falling	$\small INUV$ $\small FALLING$		3.1	3.3	3.5	V
VIN Under-Voltage Lockout Threshold-Hysteresis	$\small INUV$ $\small HYS$			200		mV
VCC Regulator	$\small V$ $\small CC$	$\small I$ $\small CC$ =0mA	4.6	4.9	5.2	V
VCC Load Regulation		$\small I$ $\small CC$ =5mA		1.5	4	%
Soft-Start Period	$\small t$ $\small SS$	$\small V$ $\small OUT$ from 10% to 90%	0.55	1.45	2.45	ms
Thermal Shutdown			150	170		°
Thermal Hysteresis				30		°
PG Rising Threshold	$\small PG$ $\small Vth -RISING$	as percentage of $\small V$ $\small FB$	86.5	90	93.5	%
PG Falling Threshold	$\small PG$ $\small Vth-FALLING$	as percentage of $\small V$ $\small FB$	80.5	84	87.5	%
PG Threshold Hysteresis	$\small PG$ $\small Vth-HYS$	as percentage of VFB		6		%
PG Rising Delay	$\small PG$ $\small Td-RISING$		40	90	160	us
PG Falling Delay	$\small PG$ $\small Td-FALLING$		30	55	95	us
PG Sink Current Capability	$\small V$ $\small PG$	Sink 4mA		0.1	0.3	V
PG Leakage Current	$\small I$ $\small LKG-PG$			10	100	uA

VCC引脚为什么会接一个0.1uF的电容

5V内部稳压器电源大部分内部电路。该稳压器采用 VIN 输入并在整个 VIN 范围内工作：当 VIN 超过5.0V，稳压器的输出是满的规定; 当 VIN 低于 5.0V 时，输出稳压器的下降跟随 VIN。一个 0.1uF去耦陶瓷电容需要在外部连接端。

FB反馈端

误差放大器比较 FB 引脚电压针对内部 0.8V 参考 (REF) 和输出一个 COMP 电压——这个 COMP 电压控制功率 MOSFET 电流。这优化的内部补偿网络最大限度地减少外部元件数量和简化了控制回路设计。

EN / SYNC 数字控制引脚

EN / SYNC是一个数字控制引脚，将调节器开和关：驱动EN高电平打开调节器，将其驱动为低电平以将其关闭。一个内部从 EN/SYNC 到 GND 的 500kΩ 电阻允许 EN/SYNC 悬空以关闭芯片。 EN 引脚使用 6.5V 在内部进行钳位串联齐纳二极管，如图2所示。通过上拉连接 EN 输入引脚电阻连接到 VIN 引脚的任何电压— 上拉电阻将 EN 输入电流限制为小于 150µA。例如，12V 连接到 VIN、RPULLUP ≥ (12V – 6.5V) ÷ 150µA = 36.7kΩ。将 EN 引脚直接连接到电压没有任何上拉电阻的源需要限制电压幅度≤6V，以防止齐纳二极管损坏。连接外部时钟的范围为 200kHz 至 2.2MHz 输出电压设置后 2ms 同步内部时钟上升沿到外部时钟上升沿。的脉冲宽度外部时钟信号应小于 1.7μs。

内部软启动

软启动防止转换器输出电压从启动过程中过冲。什么时候芯片启动时，内部电路产生一个软启动电压 (SS) 从 0V 上升到 1.2V。当 SS 低于 REF 时，SS 覆盖 REF 因此误差放大器使用 SS 作为参考。当 SS 超过 REF 时，错误放大器使用 REF 作为参考。 SS时间在内部设置为 1.5ms。

过流保护和打嗝

MPQ4420H 具有逐周期过流功能限制电感电流峰值时超过设定的电流限制阈值。如果输出电压开始下降，直到 FB 低于欠压 (UV) 阈值——通常为 84% 下面的参考 - MPQ4420H 进入打嗝模式定期重启部件。这个当输出为保护模式时特别有用对地短路。平均短路电流大大降低，以减轻热问题和保护稳压器。这一旦过流条件消除，MPQ4420H 将退出打嗝模式。

热关断

热关断防止芯片从在极高的温度下运行。当硅片温度超过 170°C 时，它关闭了整个芯片。当温度下降的时候温度降至低于其下限（通常为 140°C）芯片再次启用。

浮动驱动器和自举充电

一个外部自举电容为浮动功率MOSFET驱动器。一个专门的内部调节器（见图3）收费和将自举电容电压调节至 ~5V。当 BST 和 SW 之间的电压节点低于规定，PMOS 通过从 VIN 连接到 BST 的晶体管导通。充电电流路径来自 VIN、BST 和然后到西南。外部电路应提供足够的电压余量以方便充电。只要 VIN 明显高于 SW，则自举电容保持充电状态。当HS-FET开启的时候，VIN ≈ VSW 所以自举电容不能充电。当 LS-FET 是 ON 时，VIN−VSW 快速达到最大值收费。当没有电感电流时， VSW=VOUT 所以 VIN 和 VOUT 之差可以给自举电容充电。漂浮的驱动器有自己的 UVLO 保护，具有上升 2.2V的阈值和150mV的滞后。一个 SW 和 BST 电容之间放置 20Ω 电阻强烈建议减少 SW 尖峰电压。

芯片启动和关闭

如果 VIN 和 EN 都超过了适当的阈值，芯片启动：参考块先启动，产生稳定的参考电压和电流，然后内部调节器是启用。该稳压器提供稳定的电源其余电路。三个事件可以关闭芯片：EN 低，VIN 低，和热关断。在关机过程中，信令路径首先被阻塞到避免任何故障触发。该COMP电压和然后将内部电源轨拉低。这浮动驱动程序不受此关闭的影响命令。

PG引脚

MPQ4420H 具有电源良好 (PG) 输出。 PG 引脚是 MOSFET 的开漏极。它应连接到 VCC 或其他一些电压源通过一个电阻器（例如 100kΩ）。在输入电压的存在， MOSFET 导通，使 PG 引脚拉低之前 SS准备好了。 VFB 达到 90%×REF 后，PG 延迟后引脚被拉高，通常为 90μs。当 VFB 下降到 84%×REF 时，PG 脚为拉低。此外，PG 被拉低，如果热关机或EN被拉低。

SW和BST引脚

与 BST 电容器串联的 20ohm 电阻器是建议降低 SW 尖峰电压。 SW 尖峰电阻越高越好减少，但会影响效率另一方面。一个外部 BST 二极管可以增强当占空比为调节器的效率高（>65%）。 2.5V和之间的电源 5V 可用于为外部自举供电二极管和 VCC 或 VOUT 是不错的选择该电源在电路中。推荐的外部 BST 二极管为 IN4148， BST电容值为0.1μF至1μF。

设置输出电压

外部电阻分压器设置输出电压。这反馈电阻 R1 还设置反馈回路带内部补偿的带宽电容器。选择 40kΩ 左右的 R1。然后 R2 给出：

T 型网络是强烈推荐当 VOUT 低时。

RT+R1 用于设置环路带宽。基本上，更高的 RT+R1，更低的带宽。确保环路稳定性，它是强建议限制带宽低于 40kHz 基于 410kHz 默认 fsw。表格1 列出了推荐的 T 型电阻值共同的输出电压。

选择电感器

使用具有直流电流的 1µH 至 10µH 电感器评级至少高于 25% 大多数应用的最大负载电流。为了最高效率，具有小 DC 的电感器建议抵抗。对于大多数设计，电感值可以从以下等式

其中 ΔIL 是电感纹波电流。选择电感纹波电流为大约为最大负载电流的 30%。

最大电感峰值电流为：

使用更大的电感器来提高效率在轻负载条件下——低于 100mA

VIN UVLO 设置

MPQ4420H 具有内部修复欠压锁定功能输出 (UVLO) 阈值：上升阈值为 3.5V 而下降阈值约为3.3V。为了应用需要更高的 UVLO 点，外部 EN和IN之间的电阻分压器如图所示图 4 可用于获得更高的等效值 UVLO 阈值。

UVLO 阈值可以从下面两个方程：

其中 V $\small EN_RISING$ =1.4V，V $\small EN_FALLING$ =1.25V。选择 R5 时，请确保它足够大限制电流流入 EN 引脚低于 150µA。

选择输入电容

降压转换器的输入电流为不连续，因此需要一个电容器来将交流电流提供给降压转换器同时保持直流输入电压。使用低 ESR 电容器以获得最佳性能。使用陶瓷电容与 X5R 或 X7R 电介质为最佳结果，因为它们的低 ESR 和小温度系数。对于大多数应用，一个 22μF 的陶瓷电容器是足以维持直流输入电压。而且它强烈建议使用另一个较低的小封装电容值（例如 0.1µF）尺寸（0603）吸收高频开关噪音。确保放置小尺寸电容器尽可能靠近 IN 和 GND 引脚（见 PCB 布局部分）。由于 C1 吸收输入开关电流，它需要足够的纹波电流额定值。有效值输入电容中的电流可以通过以下方式估算：

最坏情况发生在 VIN = 2V $\small OUT$ 时，在哪里：

为简化起见，选择一个输入电容 RMS电流额定值大于一半最大负载电流。输入电容可以是电解电容、钽电容或陶瓷。使用电解或钽时电容器，添加一个小的，高品质的陶瓷电容器（例如 1μF）尽可能靠近 IC 放置可能的。当使用陶瓷电容器时，使确保他们有足够的电容提供足够的电荷，以防止输入电压纹波过大。输入电压纹波由电容引起的可以通过以下方式估算：