LM2611开关电源电路的应用技巧

LM2611是一款电流型PWM反向开关调整器，宽泛的2.7V~14V的输入范围，具有产生达-22V电压输出的调整器，SOT23-5封装。其分为如表1所示的A和B两个等级。

表1 LM2611的两个等级

LM2611在5V输入及-5V输出时可提供300mA的电流输出。图1所示为一典型电路，要求输入为5.5V~6.5V，输出为-5V、200mA。

图1 LM2611的典型应用电路

在通常情况下电路工作正常，但在一些特殊环境下它是否仍然满足系统要求，需作以下具体的分析。

应用分析

在室温环境下电路可以正常工作，但当环境温度增高到50℃时，开关机可发现LM2611会在不当应用中产生热保护，使其没有输出。LM2611的热保护结温为163℃，热阻θJa为265℃/W(见数据手册)，当环境温度为25℃时，其最大功耗PD为：

PD=(TJmax-TA)/θJa=(163-25)/265mW=0.52mW 其中，TJ为结温，TA为环境温度。

图2 导通电阻RDS(ON)与环境温度的关系 (VIN=5V )

但温度为50℃时，PD为(163-50)/265mW=0.43mW。也就是说，随着温度的升高，芯片的功耗容量降低。另一方面，LM2611内部的开关管导通电阻也随温度升高而变大，如图2所示，温度每升高10℃，导通电阻大约增加0.026Ω。根据数据手册，25℃时导通电阻RDS(ON)为0.5Ω，允许误差范围最大到0.65Ω。考虑极端情况，25℃时RDS(ON)为0.65Ω，50℃时RDS(ON)为0.715(典型值应为0.615Ω)，相对变化为43%。即相对25℃时的典型值，在50℃的最大误差时的值，RDS(ON)提高了43%。由于开关管的功耗为电流的平方乘以导通电阻，也即开关管的功耗相对提高43%。一方面高温带来的芯片最大功耗容量降低，而另一方面高温引起芯片的实际功耗增大，从中我们不难看出产生热保护的几率在提高。因此在设计中要留有足够的功耗余量才能保证芯片不过早产生热保护而能正常工作。

正常情况下，芯片在发生热保护后，随着温度下降到允许的结温后(155℃)，热保护会自动释放，芯片自动恢复正常工作。但实际工作中发现，产生热保护后，当温度降低时芯片并不能自动恢复。实际上芯片每次保护释放时的瞬态电流很大，其产生的功耗使芯片迅速升温，结果是又一次热保护，即芯片周围的环境不足以消化启动时芯片自身产生的热量。这样周而复始，芯片工作在热保护→降温，保护释放→升温→再热保护的循环中，使其在高温下不能正常工作。

解决方案

IC的温度T=TJ+TA，其中TJ与(Ic×RDS(ON)×θ)成正比。从前面的分析可以看出，产生热保护的原因首先是导通电阻RDS(ON)的离散性(偏大)和温度特性使芯片在工作时温升加剧，其二是PCB设计不当使总热阻过大，其三是保护释放瞬时电流过大造成芯片升温过快。

图3 带外部软启动功能的LM2611应用实例

对于第一个因素，只有在设计中加以考虑，留有足够的余量使其可以工作在恶劣的环境下，要考虑RDS(ON)在设计中的最差情况。对于第二个因素，PCB的设计也至关重要，尽量减少PCB的热阻同样可以达到降低结温的目的。而对于第三个因素，除了加大设计余量外，减少瞬态电流也会达到避免升温过快的目的。正如大家所知，上电时的瞬时电流是很大的，这会加大功耗使芯片温升加快。解决这一问题的方法是软启动。LM2611没有内部集成软启动的电路，但可以通过关断引脚来实现软启动的功能，如图3所示。 图4所示为有无软启动时的输入电流、输出电压波形图。

图4 LM2611有无软启动时的输入电流及输出电压波形图 引入Css和Rss积分延时电路，使关断信号的电压不会随输入电压变化而迅速开启芯片；芯片初始时的输出电压为零，关断电压也为零。当电压达到导通门限时(1.5V)，芯片进入启动过程，输出电压迅速向其终止电压(-5V)移动，其结果是关断信号的电压迅速拉低，使其低于关断门限，芯片被关断，输出保持其电压；输入电压继续向关断引脚充电，继续提高其电压，使其达到导通门限，芯片继续启动，继续拉低输出电压，结果芯片又被关断。这样周而复始达到稳态，输出为-5V，关断信号的电压也为-5V。这一过程，使输出不会立刻达到-5V的跃变，从而减小了启动时的瞬态电流，减小了温升，从而避免热保护的产生。

实测在无软启动电路时，瞬时输入电流可达0.5A以上。而有软启动时这一电流只有0.25A，同时在发生热保护后可以自动恢复工作。

关于Css和Rss的参数选择，主要是考虑启动需要的时间。图3中参数RC时间常数为10ms，实测的启动过程是15ms，基本满足RC电路进入稳态的时间，如图5所示。

图5 RC电路进入稳态的时间

结语

开关电源设计中，要对热分析 以及芯片的离散参数加以重视，使用最坏的参数进行设计，并留有余量。PCB布局布线在电源设计中也非常重要，特别是在对温度有要求的情况下更是如此。PCB布局要考虑热源尽可能分布均匀，对于直接与IC芯片相连的大电流回路应尽可能用宽的迹线, 有助于导流和导热。电源和地线也要用尽可能大的面积以解决散热问题。其次，由于大电流会使功耗加大，造成芯片升温过快以致发生热保护，因此应避免冲击电流的发生，主要是瞬态大电流。软启动是很好的解决方案，建议针对具体应用，在设计中采用软启动来消除瞬态大电流。