 上期笔者讲到了按照集成度进行分类的三类Buck IC,那么本期将主要关注Buck芯片的参数和功能。Buck芯片的主要参数除了芯片类电子元器件普遍需要关注的温度范围、热阻和ESD之外，比较重要的当属输入电压范围、输出电流能力、开关频率、最大最小占空比以及静态电流等。Buck芯片的主要功能则有UVLO、电流限制、过流保护、过温保护、软起和主动放电等。一、Buck芯片的主要参数 1.温度范围 一般关于工作温度，芯片的规格书中会涉及两个温度和两个范围。 两个温度是指工作时的结温和环温：结温是指芯片内部Die的热源温度，一般要高于器件外壳表面温度；这里的环温则可以理解为芯片附近空气的温度，一般低于芯片结温和壳温。 两个范围则是指极限工作温度范围和建议工作温度范围：极限工作温度范围是指器件不会出现永久性损伤的最大工作温度范围，因此超出极限工作范围则是器件工作过程中一般不允许出现的；而建议工作温度范围是指芯片厂家从芯片质量和功能可靠性角度给出的建议范围。一般来说，器件如果短时超出建议工作范围，但仍处于极限范围内，器件是不会出现损坏的，但若长时间处于极限工况下其工作可靠性和寿命会受到一定负面影响。因此实际在选型的时候需要根据规格书标定的最大结温和测试结果判定器件是否满足一定的降额标准，诸如80%或者85%。 2.热阻 热阻则是衡量器件散热能力的一项非常重要的参数，它指的是有热量在物体上传输时，在物体两端温度差与热源的功率之间的比值，单位为开尔文每瓦特（K/W）或摄氏度每瓦特（℃/W），一般相同散热条件下数值越小表示器件的散热能力越强。 n热阻Rthja：芯片的热源结（junction）到周围冷却空气（ambient）的总热阻，乘以其发热量即获得器件温升。对于具体的IC，热阻值与PCB板的尺寸、散热方式（风冷还是自然冷却）、板的层数、每层板的铜的厚度以及芯片周边是否存在别的发热量很高的器件相关。 n热阻Rthjb：芯片的结与PCB板间的热阻，乘以通过单板导热的散热量即获得结与单板间的温差。 n热阻Rthjc：芯片的结到封装外壳间的热阻，乘以发热量即获得结与壳的温差。一般是指结到壳的上表面的热阻值，数值大小主要和芯片的封装有较大的关联。  图1 简化芯片热阻模型 3.ESD ESD是静电放电的含义，通常这种放电现象对人体不会有什么影响，甚至绝大多数情况下我们都毫无感觉，但是对于集成电路芯片领域，静电放电就是一个不可忽视的重大问题，因为静电放电可以在短时间内产生几百甚至几千伏高压，虽然持续时间很短，但是足以给芯片的某个部位造成不可逆的热损伤。 常见的ESD模型有：人体模型(HBM)、机器模型(MM)、充电组件模型(CDM)、国际电子工业委员会标准(IEC)、传输线脉冲模型(TLP)、快速传输线脉冲模型(VF-TLP)、人体金属放电模型(HMM)。其中人体模型(HBM)、机器模型(MM)、组件充电模型(CDM)为芯片级测试模型，主要是模拟芯片本身的ESD防护能力。 HBM主要模拟人体与芯片接触过程中导致芯片携带静电的情况：人体在某种条件下携带了大量静电荷，随后与芯片接触，人体所带电荷转移到芯片上，其中人体、芯片、地组成放电通路。特点是上升沿较缓，大约为10ns;峰值电流较小。 MM主要模拟金属与芯片接触形成放电通路的情况：金属或者机器在某种情况下携带静电荷变成静电源，随后与芯片接触，这时金属、芯片、地三者形成导电通路，静电荷从外部金属开始向芯片转移。与HBM模型不同的是，相较于人体在放电过程中的等效电阻，金属的等效电阻很小。持续时间与HBM模型下放电波形的持续时间相当，大约为100ns；峰值电流相比HBM明显增大。 CDM主要模拟芯片自身作为静电源放电的情况：封装后的芯片在运输过程中芯片接触到其他物体或者感应出静电荷，自身成为静电源后，大量静电荷通过IO管脚从芯片内部流出产生的静电放电现象。与HBM和MM不同的是，该模型是芯片本身作为静电源进行放电。上升时间极短,约为0.2ns,维持时间也极短;电流峰值极大,能达到10~20A。 一般如果是车规级器件，其ESD等级需要参考AEC-Q100标准。根据AEC-Q100最新标准文件，针对ESD MM的标准因为过时已经从JEDEC标准中移除，主要是源于HBM和CDM几乎涵盖了所有已知的ESD相关故障机制。 4.输入与输出 Buck的输入一般都有一个能够承受的最大电压范围，超过此范围的输入可能会导致芯片损坏，因此一般选型时需要考虑前级的输出稳定值和峰值电压。Buck的输出则主要指输出电压范围和电流能力：输出电压范围一般取决于输入大小和最大最小占空比，输出电流能力，选型是需要考虑后级电路的负载大小进行考量。 5.开关频率 一般非隔离的Buck开关频率为数百K到几M不等。高频率带来的优点是可以减小输出电感和电容，即可以缩小体积较小电路板尺寸；缺点是功耗增加，散热增加困难，同时效率会降低。 6.静态电流 静态电流一般是指不带任何负载、开关不切换但是使能情况下器件所消耗的电流，可用来衡量器件的静态功耗。当然对于Buck芯片来说，静态电流或者静态功耗并非低功耗考虑的唯一因素。 二、Buck芯片的主要功能 1.UVLO欠压锁定 UVLO全称为Under-Voltage Lockout，即欠压锁定。它的作用是当VIN小于芯片设定的阈值时，芯片的输出被锁定，保证IC在供电电压不足时不至于被损坏。 2.电流限制和短路保护 一般Buck芯片都会针对可能出现的短路或者过载事件设定有保护机制，即对出现的过电流加以限制，这些限制包括高侧电流限制、低侧电流限制和反向电流限制。高侧电流限制是指上管导通时对电感电流的限制，如果电感电流超过了限值，上管截止并且下管导通使电感电流减小。而只有当下管电流减小到低于低侧电流限值时，上管才会再次导通。反向电流限制是针对在重载到轻载瞬态条件下的强制PWM模式中可能出现的过大负电流的限值,一旦反向电流超过限值下管即会关断，这时低侧开关和高侧开关都保持断开状态，直到内部计时器根据选定的PWM开关频率重新开启上管。 3.过温保护 过温保护是出于芯片工作过程中的高环温和发热问题为避免芯片热失效的一种保护机制，也成为热关断。即当结温升高至上升阈值(保护阈值)时，双管和下管都会关断停止输出；而当温度降低到下降阈值(重启阈值)时，芯片开始软起动恢复正常工作。 4.软起 所谓软起动，就是使得输出电压慢慢上升到目标输出值，目的很简单就是为了降低上电瞬间的冲击电流。 5.主动放电 诸如TI的LM636x5-Q1和TPS62A01具有从SW引脚连接到地的输出电压放电FET，主要功能是确保在芯片被禁用时输出电压有一个定义的下降斜坡，而在芯片关断时使输出电压保持接近0V。例如LM636x5-Q1，当EN输入低于VEN-L时，或当输出电压超过VRESET-HIGH时，该FET被激活。通过这种方式，输出电容通过功率电感放电。在输出电压高于约5V时，放电电流恒定为IPOR或者大约为1.4mA时；低于此电压时，FET特性接近于大约2.5kΩ的电阻。  图2 TPS62A01内部模块图当然，除了上述功能部分Buck芯片还具有PG即Power Good功能，用于指示输出电压是否已达到其目标值。具体工作逻辑和实现方式此处限于篇幅不再详细展开。 最后，关于Buck IC的参数和功能就先介绍到这里，感谢各位朋友的关注和阅览！ |
