1、描述
SiC47x系列是一款宽输入电压、高效率的同步降压稳压器，集成了高侧和低侧功率MOSFET。其功率级能够在高达2MHz的开关频率下提供大连续电流。该稳压器可在4.5V～55V的输入电压范围内，输出可调节的输出电压(低至0.8V)，适用于计算、消费电子、电信及工业等多种应用场景。
SiC47x的架构可实现超快速瞬态响应，同时具备极小的输出电容和在极轻负载下的严格纹波调节能力。该器件无论采用何种类型的输出电容器 (包括低ESR陶瓷电容器)均能确保环路稳定性。此外，该器件还集成了一套节能方案，可显著提升轻负载效率。该稳压器集成了完整的保护功能，包括过流保护(OCP)、输出过压保护(OVP)、短路保护(SCP)、输出欠压保护(UVP)及过温保(OTP)。它还配备了输入轨UVLO保护以及用户可编程的软启动功能。
SiC47x系列提供3A、5A、8A、12A电流规格，采用引脚兼容的5mm*5mm无铅电源增强型MLP55-27L封装。
图1 SiC47x典型应用电路图
图2 SiC472效率 vs 输出电流
2、管脚
图3 SiC47x管脚配置
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| 管脚描述 |||
| 管脚号 | 符号 | 描述 |
| 1 | VCIN | 内部稳压器VDD和VDRV的供电电压。该引脚应连接至VIN，但也可连接至较低的供电电压(>5V)，以降低内部线性稳压器的损耗。 |
| 2 | PGOOD | 开漏型电源好指示------高阻抗状态表示电源正常，需要一个外部上拉电阻。 |
| 3 | EN | 使能引脚：将该引脚接高电平或低电平，以相应地使能或禁用该芯片。该引脚兼容高压，可直接连接至VIN。 |
| 4 | BOOT | 高侧驱动器自举电压 |
| 5, 6 | PHASE | 高侧栅极驱动器的返回路径 |
| 7, 8, 29 | VIN | 功率级输入电压，高侧MOSFET的漏极 |
| 9, 10, 11, 17, 30 | PGND | 电源地 |
| 12, 13, 14 | SW | 功率开关节点 |
| 15 | GL | 低侧MOSFET栅极信号 |
| 16 | VDRV | 内部栅极驱动器的供电电压。当使用内部LDO作为偏置电源时，VDRV为LDO输出端。将一个4.7μF的去耦电容连接至PGND。 |
| 18 | ULTRASONIC | 悬空以禁用超音速模式，连接至VDD以启用该模式。根据模式引脚设定的工作模式，当超音速模式被禁用时，将启用节能模式或强制连续模式。 |
| 19 | SS | 通过将电容器连接至AGND来设置软启动斜坡；内部电流源将对电容器进行充电。 |
| 20 | VSNS | 用于系统稳定性补偿的功率电感信号反馈引脚 |
| 21 | COMP | 内部误差放大器的输出端，反馈环路补偿网络从该引脚连接至AGND引脚。 |
| 22 | VFB | 用于编程开关稳压器输出电压的反馈输入端------需连接至从VOUT到AGND的外部分压电阻器。 |
| 23, 28 | AGND | 模拟地 |
| 24 | fSW | 通过将电阻器连接至AGND来设定通电时间 |
| 25 | ILIMIT | 通过将电阻器连接至AGND来设置电流限值 |
| 26 | VDD | IC的偏置电源。VDD为LDO输出端，需将1μF去耦电容连接至AGND。 |
| 27 | MODE | 通过将电阻器连接至AGND来设置各种操作模式，详情请参阅规格表。 |
3、参数
限值
推荐值
注：当输入电压低于5V时，需向VCIN引脚提供一个至少为5V的独立电源，以防止内部VDD电源轨的欠压锁定(UVLO)功能被触发。
4、功能框图
图4 SiC47x功能框图
5、工作描述
1）器件概述
SiC47x是一款高效率同步降压稳压器 系列，可提供高达12A的连续电流输出。该器件具有可编程开关频率范围(100kHz～2MHz)，采用电压模式、恒占空比控制方案，可实现快速瞬态响应，最大限度减少外部元件数量，并能确保无论使用何种输出电容 (包括低ESR陶瓷电容)均能保持环路稳定性。该器件还集成了节能功能，可启用二极管模拟模式及负载降低时的频率折返功能。
SiC47x具备完整的保护与监控功能：
逐脉冲过流保护；输出过压保护；具有自动重试功能的输出欠压保护；
带有滞后特性的过温保护；专用使能引脚，便于电源时序控制；
电源良好状态开漏输出；本器件采用MLP55-27L封装，可实现高功率密度并最大限度减小PCB面积。
2）功率级
SiC47x集成了高性能功率级，其中包含一个N沟道高侧MOSFET和一个N沟道低侧MOSFET，经优化可实现高达98%的效率。用于功率转换的电源输入电压(VIN)可高达55V，低至4.5V。
3）控制线路
SiC47x采用电压模式COT控制机制，并结合自适应零电流检测技术 ，可在不连续导通模式(DCM)下实现节能 。开关频率fSW由外部电阻Rfsw设定，计算公式如下。SiC47x的工作频率范围为100kHz～2MHz，具体取决于VIN和VOUT。
通过Excel计算：
注意：只要VIN与VCIN连接在一起，开关频率fSW就与VIN无关，因为导通时间会随VIN的变化而调整。
SiC47x 采用恒定导通时间(COT) 控制架构，其导通时间 tON 与输入/输出电压及频率的关系为：
手册中 Rfsw 公式中的常数 190×10^(−12)（即190pF）是芯片内部固定的定时电容 值。导通时间由该电容充电至 VOUT 相关阈值决定：
。
在稳态工作期间，反馈电压(VFB)与内部基准电压(典型值0.8V )进行比较。反馈电阻的计算：
同时放大后的误差信号(Vcomp)在补偿节点处由外部补偿元件Rcomp和Ccomp 产生。一个外部产生的斜坡信号与Vcomp一同输入至比较器。▲整体框图见图4。
一旦Vramp超过Vcomp，便会产生一个固定时长的导通脉冲。在导通脉冲期间，高侧MOSFET将导通。导通脉冲结束后，经过一段死区时间，低侧MOSFET将导通。低侧MOSFET将保持导通一段最小持续时间(等于最小关断时间tOFF_MIN)，并维持导通状态直至Vramp再次超过Vcomp。随后该周期重复进行。
▼图6展示了采用外部纹波注入的电压模式、恒定占空比架构Vramp的基本框图，而图5则展示了其基本工作原理。
图5 SiC47x工作原理
图6 SiC47x控制框图
6、SiC47x的外部元件选型
1）电感器选型
为确定电感值，必须首先定义纹波电流。较小的电感值可采用更小的封装尺寸，但会产生较高的纹波电流，从而降低效率；较大的电感值则能减少纹波电流，并在给定直流电阻下实现更高的效率。然而，较大的电感值会直接导致更大的封装尺寸和更高的成本。成本、尺寸、输出纹波及效率均是选型过程中的考量因素。纹波电流还决定了节能运行的边界：SiC47x通常会在负载电流降至纹波电流的1/2时进入节能模式。例如，若纹波电流为1.8A，则当负载电流小于0.9A时，节能模式将激活；若纹波电流设定为最大负载电流的30%，节能模式通常会在负载电流达到最大电流的15%时启动。电感值通常选择为使纹波电流达到最大负载电流的25%～50%，这可在成本、效率与瞬态性能之间实现最佳权衡。在导通期间，电感两端的电压为（VIN-VOUT）。确定电感值的公式如下所示。
，此计算公式推导过程可见：Buck电路-电感电容轻松计算。
其中，K表示纹波电流的最大百分比。当纹波百分比已确定时（通常不超过30%），设计者可快速选择电感器；不过，根据具体应用需求，IOUT 的更高或更低百分比亦可接受。该器件允许选择大于30%的值。
除电感值外， DCR和饱和电流参数也是关键值。DCR会导致I²R损耗，这会降低系统效率并产生热量。饱和电流必须大于最大输出电流加上纹波电流的1/2。在过流情况下，电感电流可能会非常高。选择电感时需考虑所有这些因素。
2）输出电容选择
通过选择合适的Vramp元件，SiC47x可与任何类型的输出电容器保持稳定。这使得用户能够基于电路板面积、成本和应用需求之间的最佳权衡来选择输出电容量。
输出电容器根据所需的ESR和电容值进行选择。最大ESR要求由输出纹波电压要求和直流容差所控制。输出电压的直流值等于输出纹波的谷值加上峰峰值纹波的一半。输出纹波电压的变化将导致输出电压直流值的变化。输出电压纹波、输出电容以及输出电容器ESR之间的关系由以下公式表示：
其中，Vripple表示允许的最大输出纹波电压；Iripple(MAX)表示最大电感纹波电流；fsw为转换器的开关频率；Co为总输出电容；ESR为总输出电容的等效串联电阻。除了满足输出纹波电压要求外，输出电容还需满足瞬态响应要求。最坏负载释放工况（从最大负载到无负载，且恰好发生在电感电流达到峰值的时刻）可确定所需的电容值。若负载释放是瞬时的（负载在1μs内从最大值变为零），输出电容必须吸收电感中储存的所有能量。在此最坏工况下，电容上的峰值电压Vpk可通过以下公式计算得出。
在负载释放期间，电感两端的电压约为-VOUT。这会导致电感中出现下降斜率或di/dt减小。如果负载的di/dt远小于电感的di/dt，则电感电流会倾向于跟随下降的负载电流。这将减少输出电容必须吸收的过量感性能量；因此，可以使用较小的电容值。以下公式可用于计算给定diLOAD/dt时所需的电容值。
峰值电感电流 ILPK 由下式给出：
负载电流的 slew rate = diLOAD/dt
根据应用需求，可采用公式(2)或公式(3)计算理想输出电容，以满足转换要求；将计算所得电容值与公式(1)得出的结果进行比较，并选择较大的值，从而同时满足纹波和转换要求。
3）使能脚电压
EN引脚内部设有5MΩ的下拉电阻，该电阻连接至AGND 。要启用该器件，需提供大于1.4V的外部信号。此外，还可通过在VIN、EN和PGND之间连接分压器，利用该使能端来设定最小VCIN值及VIN启动电压。
4）电流限值电阻
电流限值可通过在 ILIM 与 AGND 之间接入电阻来设定；其具体数值可利用以下公式计算得出。
其中：IOUT_MAX 表示所需的直流电流限值；KLIM 根据表2确定。
建议当前限值不超过元件额定电流的2倍；需确保最大电流限值处于电感器的饱和电流范围内。
5）输入电容
为确定最小电容值，需先规定输入电压纹波；Vin_PK-PK≤500mV可作为合适的起始值。该数值由最终应用规格要求决定。还需根据最低工作输入电压来确定输入电流。
随后可求得最小输入电容
若采用高ESR电容，建议同时选用低ESR陶瓷电容；使用4.7μF的陶瓷输入电容可作为合适的起始值。注意：使用全陶瓷输入电容时，需考虑电容的电压降额效应。
设计辅助工具
PowerCAD在线设计仿真：https://vishay.transim.com/landing.aspx，速度很慢，不好用。
电感选型工具：www.vishay.com/inductors/calculator/calculator/