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时间:2019-8-9, 来源:互联网, 文章类别:元器件知识库

ZL2103是一款创新的电源转换和管理集成电路,它将集成同步降压直流/直流变换器与关键电源管理功能结合在一个小的封装中,从而形成一个灵活、集成的解决方案。
ZL2103可以提供0.54V至5.5V(带裕度)的输出电压,输入电压介于4.5V至14V之间。内部低RDS(ON)同步功率MOSFET使ZL2103能够以高效率提供高达3A的连续负载。内部肖特基自举二极管减少分立元件计数。ZL2103还支持相位扩展,以减少系统输入电容。
电源管理功能,如数字软启动延迟和斜坡,排序,跟踪和边缘,可以通过简单的针带或通过芯片上的串行端口配置。ZL2103使用PMBus协议与主机控制器通信,使用数字直流总线在其他Zilker实验室设备之间实现互操作性。
特征
集成MOSFET开关
3A连续输出电流
±1%输出电压精度
参数捕获快照
I2C/SMBus接口,与PMBus兼容
内部非易失性存储器(NVM)
电信、网络、存储设备
测试和测量设备
工业控制设备
5伏和12伏分布式电源系统

典型应用电路
下面的应用电路代表了ZL2103的典型实现。对于PMBus操作,建议将启用引脚(en)连接到SGND。

铁氧体磁珠是可选的输入噪声抑制。
DDC总线的上拉电阻将根据总线的电容负载(包括连接的设备数量)而变化。假设每个设备的最大功率为100 pF,则10 k∑默认值提供必要的1微秒上拉上升时间

ZL2103概述
数字直流架构
ZL2103是一款创新的混合信号功率转换和功率管理集成电路,基于Zilker实验室专利的数字直流技术,为负载点应用提供集成的高性能降压转换器。ZL2103集成了所有必要的脉宽调制控制电路和低rds(on)同步功率MOSFET,为提供高达3A的负载电流提供了一个非常小的解决方案。
其独特的脉宽调制回路采用了模拟和数字模块的理想组合,能够在不需要软件的情况下精确控制整个功率转换过程,从而产生了非常灵活的设备,也非常容易使用。广泛的电源管理功能集完全集成,可以使用简单的插脚连接进行配置。用户配置可以保存在内部非易失性存储器(NVM)中。此外,所有功能都可以通过使用标准pmbus命令的smbus硬件接口进行配置和监控,从而实现最大的灵活性。
启用后,ZL2103立即准备好调节电源并执行电源管理任务,无需编程。如果需要,可以通过I2c/SMBus接口提供高级配置选项和实时配置更改,并且可以在主机控制器的最小交互作用下连续监控多个操作参数。集成的次级调节电路能够从4.5伏到14伏之间的任何外部电源进行单电源操作,无需二次偏压电源。ZL2103还可以配置为在主电源轨不存在时从3.3V或5V备用电源运行,允许用户在主电源中断或禁用时配置和/或从设备读取诊断信息。
ZL2103可以根据以下部分提供的表通过简单地连接其管脚来配置。此外,还提供了一套全面的应用程序说明,以帮助简化设计过程。还提供评估板,帮助用户熟悉设备。可以使用pin配置设置将该板评估为独立平台。还提供了一个基于Windows™的图形用户界面,通过使用可用计算机和随附的USB电缆的I2c/SMBus接口实现完整的配置和监控功能。
功率转换概述
ZL2103采用电压模式,同步降压变换器,可选择恒频脉宽调制(PWM)控制方案。ZL2103集成了双低RDS(ON)同步MOSFET,以最小化电路占地面积。
显示主要动力传动系部件的基本同步降压变换器拓扑。该转换器也称为降压转换器,因为输出电压必须始终低于输入电压。

ZL2103集成了两个N通道功率MOSFET;QH是最高控制MOSFET,QL是最低同步MOSFET。
在时间d期间,QH打开,VIN–VOUT应用于电感器。输出电流如图11所示上升。
当QH断开时(时间1-d),电感器中的电流必须继续从地面向上流过QL,在此期间电流下降。由于输出电容器在开关频率下会表现出低阻抗,所以电感电流的交流分量会从输出电压中过滤出来,因此负载会看到几乎一个直流电压。
最大转换。通常,Buck变换器指定一个最大占空比,有效地限制给定输入电压和开关频率可实现的最大输出电压。这个占空比限制确保在每个开关周期中允许低侧MOSFET打开最少的时间,从而使自举电容器充电,并为高侧MOSFET提供足够的栅极驱动电压。

电感波形
一般来说,元件l1和cout的尺寸以及电路的整体效率与开关频率fsw成反比。因此,可以通过以尽可能低的频率切换MOSFET来实现最高效率的电路;但是,这将导致最大的元件尺寸。相反,最小的可能足迹可以通过以最快的可能频率切换来实现,但这会降低效率。在确定每个应用的开关频率时,每个用户应确定大小和效率的最佳组合。
ZL2103的框图如图10所示。在该电路中,目标输出电压通过将VSEN引脚直接连接到输出调节点来调节。然后将VSEN信号与用户设置为所需输出电压水平的内部参考电压进行比较。通过这种比较得到的误差信号通过模拟-数字(A/D)转换器转换成数字值。数字信号还应用于可调数字补偿滤波器,补偿信号用于以产生所需输出的方式驱动内部MOSFET的适当PWM占空比。
电源管理概述
ZL2103集成了一系列可配置的电源管理功能,这些功能无需额外的组件即可轻松实现。此外,ZL2103还具有电路保护功能,可连续保护设备和负载免受意外系统故障造成的损坏。ZL2103可连续监测输入电压、输出电压/电流和内部温度。还包括电源良好输出信号,以启用外部处理器的开机重置功能。
所有电源管理功能都可以使用管脚配置技术或通过I2c/SMBus接口进行配置。监控参数也可以预先配置为针对特定情况提供警报。见
有关smbus监控的更多详细信息,请参阅应用说明AN2033。
多模管脚
为了简化电路设计,ZL2103采用了获得专利的多模管脚,允许用户无需编程即可轻松配置设备的许多方面。大多数电源管理功能都可以使用这些管脚进行配置。多模管脚可以响应四种不同的连接,如表1所示。当通电或发出pmbus restore命令(见应用说明AN2033)时,对这些管脚进行采样。
固定带设置
这是最简单的方法,因为不需要额外的组件。使用这种方法,每个管脚可以接受三种可能的状态之一:低、开或高。这些插脚可连接到V2P5插脚进行逻辑高设置,因为该插脚提供高于2V的调节电压。使用单插脚可选择三种设置中的一种。

电阻设置
这种方法允许在多模管脚和SGND之间连接一个有限值电阻(在指定范围内)时有更大的可调整范围。
使用标准的1%电阻值,并且只使用每四个E96电阻值,这样设备就可以可靠地识别连接到管脚的电阻值,同时消除与电阻精度相关的误差。使用一个电阻可提供多达31种独特的选择。
IC/SMBUS方法2
ZL2103功能可以通过使用标准PMBus命令的I2c/SMBus接口进行配置。此外,使用针带或电阻设置方法配置的任何值也可以通过I2c/smbus重新配置和/或验证。更多详情请参见应用说明AN2033。
smbus设备地址和vout_max是唯一必须由外部管脚设置的参数。所有其他设备参数可通过I2C/SMBus进行设置。设备地址是使用sa pin设置的。Vout_max被确定为比VSET引脚设置的电压高10%。
建议对所有可用的设备参数使用电阻插脚带,以便在通过I2C/SMBus存储配置之前实现安全的初始通电。例如,这可以通过将欠压锁定阈值(使用ss-pin)固定到大于预期输入电压的值来实现,从而防止设备在加载配置文件之前启用。
功率转换功能描述
内部偏压调节器和输入电源连接
ZL2103采用三个内部低压差(LDO)调节器为内部电路提供偏压,使其能够从一个输入电源工作。内部偏差调节器如下:
VR:VR LDO为高压侧MOSFET驱动电路提供调节7V偏压电源。它由VDDS引脚供电,并在内部提供偏压电流。在VR针处需要4.7微F滤波电容器。VDDS引脚直接为低侧MOSFET驱动电路供电。
VRA:VRA LDO为电流检测电路和其他模拟电路提供调节的5伏偏压电源。它由VDDS引脚供电,并在内部提供偏压电流。VRA引脚处需要4.7微F滤波电容器。

V2P5:V2P5 LDO为主控制器电路提供调节的2.5 V偏压电源。它由VRA LDO供电,并在内部提供偏压电流。V2P5针上需要一个10μF的滤波电容器。
当输入电源(VDDS)高于7.5V时,VR和VRA插脚不应连接到任何其他插脚。这些插脚只能连接一个滤波电容器。由于与虚拟现实和虚拟现实偏压调节器相关的电压下降,设计工作电压低于7.5伏时,必须将VDDS引脚连接到这些引脚上。图13说明了所有情况下所需的连接。
注:内部偏压调节器,VR和VRA,不是为其他电路供电而设计的输出。不要将外部负载连接到任何这些销上。只有多模管脚可以连接到V2P5管脚以进行逻辑高设置。
高压侧驱动器升压电路
高压侧MOSFET驱动器的栅极驱动电压由浮动自举电容器CB产生。当较低的MOSFET(QL)打开时,sw节点被拉到地上,电容器通过二极管db从内部的vr偏压调节器充电。当ql关闭并且上MOSFET(qh)打开时,sw节点被拉到vddp,引导电容器上的电压被提升到vddp以上约6.5 V,以提供必要的电压给高端驱动器供电。内部肖特基二极管与CB一起使用,以帮助最大化高压侧驱动电源电压
输出电压选择
输出电压可设置为0.6V至5.0V之间的任何电压,前提是输入电压高于所需的输出电压,且足以防止装置超过其最大占空比规格。使用针带法,VOUT可以设置为三个标准电压之一

不锈钢针电阻连接
软启动延迟和斜坡时间也可以通过I2c/SMBus接口设置为自定义值。当SS延迟时间设置为0毫秒时,设备将在内部电路初始化后(约2毫秒)开始爬升。当软启动斜坡周期设置为0毫秒时,输出将在输出负载电容和回路设置允许的情况下迅速上升。通常建议将软起动斜坡设置为大于500微秒的值,以防止因过大的涌入电流而导致意外故障。
电源良好(PG)
ZL2103提供了一个电源良好(PG)信号,表明输出电压在其目标电平的规定公差内,并且不存在任何故障条件。默认情况下,如果输出在目标电压的+15%/-10%范围内,PG管脚将断言。这些限值可通过I2c/SMBus接口更改。详见应用说明AN2033。
pg延迟期是指从满足所有断言pg的条件到实际断言pg pin的时间。此功能通常用于代替外部重置控制器,以在启用任何通电电路之前,向电源的目标电压发出信号。默认情况下,ZL2103 PG延迟设置为1ms,可以使用AN2033中描述的I2c/SMBus接口更改。
开关频率和锁相环
ZL2103集成了一个内部锁相环(PLL)来对内部电路进行时钟。PLL可以由连接到同步管脚的外部时钟源驱动。使用内部振荡器时,同步管脚可配置为其他Zilker实验室设备的时钟源。
同步管脚是一个独特的管脚,可以根据配置方式执行多个功能。cfg管脚用于选择同步管脚的操作模式

配置A:
当同步管脚被配置为输出时(cfg管脚被固定在高位),设备将从其内部振荡器运行,并将产生的内部振荡器信号(预设为400kHz)驱动到同步管脚上,以便其他设备可以与之同步。在此模式下,不会检查同步针是否有传入时钟信号。
配置B:

同步针配置
当同步管脚被配置为输入(CFG管脚连接低)时,设备将在每次断言en管脚时自动检查同步管脚上的外部时钟信号。内部振荡器随后将与外部时钟的上升沿同步。输入的时钟信号必须在200kHz到1MHz的范围内,最小占空比,并且在断言en pin时必须稳定。外部时钟信号还必须显示必要的性能要求(见第6页开始的“电气规范”表)。
在外部时钟信号丢失的情况下,输出电压可能显示瞬态过/欠冲。如果发生这种情况,ZL2103将自动切换到其内部振荡器,并以接近先前输入频率的频率切换。
配置C:同步自动检测
当同步针配置为自动检测模式(cfg针保持打开)时,设备将在启用后自动检查同步针上的时钟信号。如果存在有效的时钟信号,则ZL2103的振荡器将与外部时钟的上升沿同步(请参阅同步输入说明)。
如果没有输入时钟信号,ZL2103将根据表8中所列的同步管脚的状态配置开关频率。在这种模式下,ZL2103只在启动过程中读取同步管脚连接。在电源(VDD)循环关闭和再次打开之前,对同步插脚连接的更改不会影响FSW。

组件选择
ZL2103是一种集成了MOSFET的同步降压变换器,它使用外部电感和电容来执行功率转换过程。正确选择外部组件对于优化性能至关重要。
要为所需的性能目标选择适当的外部组件,必须定义表10中列出的电源要求。

自举电容器选择
高压侧驱动器升压电路利用内部肖特基二极管(DB)和外部自举电容器(CB)为高压侧MOSFET驱动器提供足够的栅极驱动。断路器应为47nF陶瓷型,额定电压至少为10V。
C选择V2P5
该电容器用于稳定2.5伏内部电源并提供噪声过滤。其应在4.7微F至10微F之间,应使用半稳定的X5R或X7R介电陶瓷,具有低ESR(小于10M≠),并且应具有4V或更高的额定值。
C选择虚拟现实
该电容器用于稳定7V参考电源并提供噪声滤波。它应该在4.7微F到10微F之间,应该使用半稳定的X5R或X7R介电陶瓷电容器,具有低ESR(小于10M≠),并且应该具有10V或更高的额定值。因为自举电源的电流是从这个电容器中引出的,所以CVR的大小至少应为CB值的10倍,这样放电的CB在CB充电脉冲期间不会导致其上的电压过度下降。
C选择VRA
该电容器用于稳定和为模拟5伏参考电源提供噪声滤波。它应该在2.2微F到10微F之间,应该使用半稳定的X5R或X7R介电陶瓷电容器,具有较低的ESR(小于10M≠),并且应该具有6.3V或更高的额定值。
热因素
在典型应用中,ZL2103的高效率将限制封装内部的功耗。但是,在需要高环境工作温度的应用中,用户必须执行一些热分析,以确保不会超过ZL2103的最高结温。
ZL2103的最大结温极限为+125°C,内部过温限制电路将强制设备在结温超过此阈值时关闭。为了计算最大结温,用户必须首先计算IC(PQ)内部耗散的功率,如方程式11所示:磷Q2我负载RDS论QHDRDS论QLD
然后,可使用公式12计算最大工作结温度:TJ最大θ(式12)T印刷电路板磷QJC
其中,tpcb是预期的最大印刷电路板温度,θ是zl2103封装的连接至外壳热阻。JC
电流感应和电流限制阈值选择
ZL2103采用了一种专利的“无损”电流传感方法,该方法通过内部低侧MOSFET,与RDS(开)变化(包括温度)无关。增益的默认值(不代表rds(on)值)和内部电流感应电路的偏移量可通过输出校准增益和输出校准偏移量命令进行修改。
该设计应包括一个限流机构,以保护电源不受损坏,并防止在输出对地短路或对输出施加过载条件时,输入电源产生过大电流。电流限制是通过在占空比的一部分中感应通过电路的电流来实现的。默认情况下,电流限制阈值设置为4.5a。电流限制阈值可以通过I2c/SMBus接口设置为自定义值。
此外,ZL2103还为电源设计人员提供了在过电流或电流条件下的故障响应选择。用户可以选择在声明故障之前允许的违规次数、消隐时间和检测到故障时采取的操作。空白时间表示不进行电流测量的时间。这是为了避免在当前加载步骤之后读取读数(由于可能出现振铃,因此精度较低)
回路补偿
ZL2103作为一种电压型同步降压控制器,采用固定频率的脉宽调制方案。尽管ZL2103采用了数字控制回路,但其工作原理与传统的模拟PWM控制器非常相似。ZL2103控制回路的简化框图,它与模拟控制回路的区别仅在于PWM和补偿块中的常数。与模拟控制器的情况一样,补偿块将输出电压与所需的参考电压进行比较,并添加补偿零点以保持回路稳定。产生的集成错误信号用于驱动PWM逻辑,将错误信号转换为占空比以驱动内部

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