DC/DC 转换器的基础 XC9235/XC9236/XC9237 系列
发布时间：2022.06.22
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1、DC/DC转换器抑制纹波的必要性和用途
电源的构成
采用线性电压调整器还是DC/DC 转换器
在讨论机器的电源构成时，是否在为采用线性电压调整器还是DC/DC 转换器而烦恼？当LSI 的工作电压下降，工作于1.8V 或1.2V 工作时，如线性电压调整器用于来自5V 线路或锂离子电池的驱动时，将产生大量的热损耗，不能有效地使用能量效率。众所周知，在这种情况下如果使用降压DC/DC 转换器，能高效率地转换电压。但是，如使用DC/DC 转换器，会立刻有许多例如[产生噪声]、[外置零部件多而导致成本增高]、[设置定数的手续繁杂]等由于[使用时所需要的事项]而阻碍使用的意见。
本次调查记录中，通过说明TOREX 的DC/DC 转换器XC9235/XC9236/XC9237 的工作状况，来理解DC/DC 转换器的基本特征和工作原理。此外，XC9235/XC9236/XC9237 系列的外置零部件少，是不需调整定数的一体集中型DC/DC 转换器，其特长在于同时满足低噪声和提高功率转换效率双方面，是应用与无线机器等深受欢迎的IC。
2、降压DC/DC转换器IC XC9235/XC9236/XC9237的特征
最近出现了很多只为外置零部件少的降压DC/DC转换器追加线圈和电容即可简单地达到工作目的的产品。这是因为只追加1只即使与LDO电压调整器相比也属小型的线圈来构成零部件，即可简单地得到高效率电源。
XC9235/XC9236/XC9237系列
特瑞仕半导体公司的XC9235/XC9236/XC9237系列产品，内置了采用P沟道MOSFET和N沟道MOSFET输出电流驱动器的降压同步整流型DC/DC转换器。由内部的IC来决定为稳定工作所需要的电路定数，外置零部件只需要产品目录中记载的输入和输出电容及线圈即可工作，是一体集中型DC/DC转换器。能提供高达600ｍA的输出电流。（参照图1）
这种IC 随型号不同而控制方式也不同，XC9235 为PWM 工作、XC9236 为PWM/PFM 自动转换工作、XC9237 除PWM/PFM 自动转换工作以外，还具备另加的用手动信号固定于PWM 工作功能的产品。备有1.2MHz 和3MHz 两种开关动作频率的产品。可以按需要如重视能量转换率则选择1.2MHz；如优先小型化则选择比线圈尺寸还小的3MHz 产品。此外，还备有可选择的丰富功能和特性能对应于各种不同用途。
高速软启动和CL 放电功能，可使导通、切断时的上升和下降快速地进行，能方便地设置组合电源的顺序。
内部电路由基准电压、误差放大器、振荡器、指示灯波形、PWM比较器、UVLO、限定电流电路等构成，固定输出电压型由激光微调固定调整了内部电阻R1/R2的电阻比。工作电压范围在1.8V～6V之间。此外，内部调整了放大器的相位补偿及送信频率、软启动时间等，可以完全无须调整地使用。
3、用XC9235/XC9236/XC9237进行的试验和使用方法
PWM/PFM 自动转换工作
PWM/PFM 自动转换工作
XC9236 具有对应负载变化自动地转换PFM 工作和PWM 工作的功能。这种功能可同时满足轻负载时提高效率和重负载时保持低纹波，有利于在整个负载范围提高效率。（参照图4）
从图5 中能确认到从PFM 工作过渡到PWM 工作以及反向过渡时的负载瞬态响应特性。
从负载变动陡峭时的负载瞬态响应特性，可以认识到仅在20mV 的电压差既开始了恢复工作，恢复时亦不发生过冲或振铃现象，这使得相位系统具有足够的余量。
手动转换工作状态
XC9237 型在PWM/PFM 自动转换基础上，又增加了用外部信号强制过渡到固定在PWM 工作的功能。对应于使用机器的工作状态，能使其工作在纹波更低的PWM 工作状态，能随时控制降低噪声（参照图6‐1、图6‐2）
限定电流PFM 工作
限定电流PFM 的特长
这种IC 为了容易地对应小型便携式仪器使用的LSI 低电压工作状态和低纹波的要求，在PFM工作中采用了限定电流的PFM 控制。限定电流PFM 控制是当流过线圈的电流达到一定值（180mA）时，开关成切断状态的控制方式。
占空比固定型的PFM 情况下，对应于当输入输出电压差增大时，出现由于开关影响流过线圈电流增大、并且纹波也增大的现象。限定电流PFM 具有当输入输出电压差增大时，减少导通时间使流过线圈的电流减少，图7 所示纹波也变小的特长。
LSI 的工作电压从1.8V 向更低的1.5V 或1.2V 过渡中，对电源均匀性、精度和低纹波将有更严格的要求。
最大导通时间的限制
此外，已决定了PFM 时最大的导通时间。当输入电压接近输出电压，输入输出电压差非常小时，即使由于开关动作成导通状态、电流流过线圈，也难得达到180mA 时，限定最大导通时间（频率的2 倍）可以使开关暂时成切断状态，限制其不连续的过剩导通状态。
＜＜ 专题 ／纹波噪声和尖峰噪声 ＞＞
DC/DC 转换器产生的噪声大致分为纹波噪声和尖峰噪声。
纹波噪声
纹波噪声是当开关动作引起的线圈电流、储存在线圈中的电流能量释放到负载电容（CL）时，电容的ESR（串联等价电阻）和直流电流中产生的噪声，根据电容的种类有很大差异。 使用ESR成分多的钽电容及铝电解电容时噪声增大，使用陶瓷电容等低ESR 电容时则较小，成正弦波式的纹波波形。（参照图8）
尖峰噪声是随当开关动作转换的时机产生的高频噪声，其原因主要在于驱动晶体管陡峭地启动或停止时而产生的。当需要观测尖峰噪声时，必须注意测定方法。 根
据测定用布线的处理方法，有可能不能正确地测定。特别需要注意的是探头附近的接地处理。为了不让探针收集噪声而实施取消探针接地等处理，必须把探针端子以最短距离直接与引脚接触。此外，常见的失败中，有在测定器的高频过滤器开关成导
通状态时进行测定的事例。DC/DC 转换器的尖峰噪声为20～50MHｚ的高频噪声。当然，在高频过滤器成导通状态时是测定不出的。（参照图9）
应用于能改变输出电压工作的电路
在为此IC 准备的选择用FB 端子上再增加一只电阻，连接DA 转换器或N 沟道开漏，可以构成如图10 所示的输出电压可变电路。
这是一种对应于微机等的工作状态能方便地调整电压的方法。把FB 端子电压（VFB）设定为在0.8V 反馈的状态。使用DAC 时的输出电压由VOUT＝（VFB－VDAC）（RFB1／RFB2）＋VFB来决定。图1 说明VOUT 和VDAC 的关系。
在图11 中插入了方形波和正弦波用来评价对应于DAC 输出的VOUT 电压的追随性
如输出电压有2 个数值，则能方便地使用N 沟道开漏。（参照图12）
N沟道开漏导通时、VOUT=0.8V×(RFB1+RFB2）/RFB2
N沟道开漏切断时、VOUT=0.8V×(RFB1＋RFB2+RFB3）/(RFB2+RFB3)
4、实现了抑制纹波的技术
在PFM/PFM 自动转换时抑制纹波
这种IC 最大的特长是从PFM工作过渡到PWM工作时的纹波电压低。从轻负载向重负载过渡时，PFM 的脉冲间隔逐渐地靠近。当最终达到PWM 工作的频率时，过渡到PWM 工作状态。但是，既往的XC9226 等产品在达到PWM 工作条件之前，不能鲜明地产生分散的脉冲，而是产生成群的脉冲。 （参照图13）
PFM 工作时，负载电流变大输出电压下降时开关开始动作，此时，如1 次开关动作不能恢复输出电压，将继续进行第2 次开关动作。如第2 次的开关动作还不能恢复则继续进行第3 次恢复工作。因为在达到恢复输出电压为止连续进行开关动作，线圈电流局部性地重叠增大，形成了输出大纹波电压的原因。
因为PFM 间歇性地开关动作，不能均匀地分散线圈电流，即使在局部性电流大的状态下，也不能利于输出电流和输出电压的平衡关系。
与此相对，当PWM 工作时，因为在一定周期内进行开关动作，有必要按一定的电流平均地分散线圈电流。
XC9236 系列的PWM/PFM 自动转换控制飞跃性地抑制了这种局部性的脉冲群，维持着被平均分散的电流，能连续地从PFM 工作过渡到PWM 工作，如图14 所示实现了在整个负载范围内的低纹波状态。
＜＜ 专题 ／ 权衡小型化和低消耗能量来选择开关动作频率 ＞＞
关于DC/DC 转换器的开关动作频率，不是开关动作快就一定具有优越性。关键的是按照符合需要优先的目的来选择开关动作频率。
因为对DC/DC 转换器抱有能量转换效率高的期待，电流驱动所使用的晶体管采用了低导通电阻的MOSFET 等元件。因为MOSFET 的驱动方法为容量性门驱动，每个开关动作都对门进行反复的充电和放电。一般地说，越是电阻低的MOSFET 其门容量则越大。依此如图15 所示开关动作频率越高次数也越多，不断增加无效的消耗电流及贯通电流，使得效率变低。如重视效率应选择频率低才较为有效。
选择高开关频率的1 个优点在于零部件的小型化。提高频率能减少为所使用的线圈设定的电感值，其结果在于减少卷线的圈数而达到缩小线圈体积有利于被选用。卷线的圈数减少使得串联电阻降低，即使是同样尺寸的线圈则卷线直径变粗，减少串联电阻成分能带来改善能量效率。
此外，在选择线圈时，有必要注意重叠特性进行选择。例如，需要200mA 的输出电流时，线圈中流过的峰值电流达到300mA。（图14-④）当线圈的重叠特性差时，线圈电流的倾斜度增大而引起峰值电流增大最终导致纹波增大。此时如限定电流开始工作将有可能影响到相位控制。应宽余地选择带有重叠特性余量的线圈。
参考文献
１、特瑞仕半导体 TIP（技术信息报） No.00006 「评价和降低尖峰噪声的方法」
电源的构成
采用线性电压调整器还是DC/DC 转换器
在讨论机器的电源构成时，是否在为采用线性电压调整器还是DC/DC 转换器而烦恼？当LSI 的工作电压下降，工作于1.8V 或1.2V 工作时，如线性电压调整器用于来自5V 线路或锂离子电池的驱动时，将产生大量的热损耗，不能有效地使用能量效率。众所周知，在这种情况下如果使用降压DC/DC 转换器，能高效率地转换电压。但是，如使用DC/DC 转换器，会立刻有许多例如[产生噪声]、[外置零部件多而导致成本增高]、[设置定数的手续繁杂]等由于[使用时所需要的事项]而阻碍使用的意见。
本次调查记录中，通过说明TOREX 的DC/DC 转换器XC9235/XC9236/XC9237 的工作状况，来理解DC/DC 转换器的基本特征和工作原理。此外，XC9235/XC9236/XC9237 系列的外置零部件少，是不需调整定数的一体集中型DC/DC 转换器，其特长在于同时满足低噪声和提高功率转换效率双方面，是应用与无线机器等深受欢迎的IC。
2、降压DC/DC转换器IC XC9235/XC9236/XC9237的特征
最近出现了很多只为外置零部件少的降压DC/DC转换器追加线圈和电容即可简单地达到工作目的的产品。这是因为只追加1只即使与LDO电压调整器相比也属小型的线圈来构成零部件，即可简单地得到高效率电源。
XC9235/XC9236/XC9237系列
特瑞仕半导体公司的XC9235/XC9236/XC9237系列产品，内置了采用P沟道MOSFET和N沟道MOSFET输出电流驱动器的降压同步整流型DC/DC转换器。由内部的IC来决定为稳定工作所需要的电路定数，外置零部件只需要产品目录中记载的输入和输出电容及线圈即可工作，是一体集中型DC/DC转换器。能提供高达600ｍA的输出电流。（参照图1）
这种IC 随型号不同而控制方式也不同，XC9235 为PWM 工作、XC9236 为PWM/PFM 自动转换工作、XC9237 除PWM/PFM 自动转换工作以外，还具备另加的用手动信号固定于PWM 工作功能的产品。备有1.2MHz 和3MHz 两种开关动作频率的产品。可以按需要如重视能量转换率则选择1.2MHz；如优先小型化则选择比线圈尺寸还小的3MHz 产品。此外，还备有可选择的丰富功能和特性能对应于各种不同用途。
高速软启动和CL 放电功能，可使导通、切断时的上升和下降快速地进行，能方便地设置组合电源的顺序。
内部电路由基准电压、误差放大器、振荡器、指示灯波形、PWM比较器、UVLO、限定电流电路等构成，固定输出电压型由激光微调固定调整了内部电阻R1/R2的电阻比。工作电压范围在1.8V～6V之间。此外，内部调整了放大器的相位补偿及送信频率、软启动时间等，可以完全无须调整地使用。
3、用XC9235/XC9236/XC9237进行的试验和使用方法
PWM/PFM 自动转换工作
降低损耗
使用DC/DC转换器所期待的最大目的之一是高效率地转换能量。提高效率的方法在于降低损耗。如图3 所示，作为发生损耗的问题，可以列举IC 的消耗电流、驱动器晶体管导通电阻产生的热损耗，线圈的串联连接而产生的损耗等重大原因。
PFM 控制工作和PWM 控制工作
在此，对应于负载电流控制开关次数的PFM 控制工作非常有效。PFM 工作是在负载电流小时，进行减少单位时间内开关次数的工作，力图降低消耗电流和贯通电流等无效电流来提高效率。这种IC 由PFM 工作把无负载时的消耗电流抑制在15μA 以下。随负载电流增大IC 的消耗电流相对地变至极小，此时要求纹波电压更小的PWM 工作状态。PFM 控制工作和PWM 控制工作
PWM/PFM 自动转换工作
XC9236 具有对应负载变化自动地转换PFM 工作和PWM 工作的功能。这种功能可同时满足轻负载时提高效率和重负载时保持低纹波，有利于在整个负载范围提高效率。（参照图4）
从图5 中能确认到从PFM 工作过渡到PWM 工作以及反向过渡时的负载瞬态响应特性。
从负载变动陡峭时的负载瞬态响应特性，可以认识到仅在20mV 的电压差既开始了恢复工作，恢复时亦不发生过冲或振铃现象，这使得相位系统具有足够的余量。
手动转换工作状态
XC9237 型在PWM/PFM 自动转换基础上，又增加了用外部信号强制过渡到固定在PWM 工作的功能。对应于使用机器的工作状态，能使其工作在纹波更低的PWM 工作状态，能随时控制降低噪声（参照图6‐1、图6‐2）
限定电流PFM 工作
限定电流PFM 的特长
这种IC 为了容易地对应小型便携式仪器使用的LSI 低电压工作状态和低纹波的要求，在PFM工作中采用了限定电流的PFM 控制。限定电流PFM 控制是当流过线圈的电流达到一定值（180mA）时，开关成切断状态的控制方式。
占空比固定型的PFM 情况下，对应于当输入输出电压差增大时，出现由于开关影响流过线圈电流增大、并且纹波也增大的现象。限定电流PFM 具有当输入输出电压差增大时，减少导通时间使流过线圈的电流减少，图7 所示纹波也变小的特长。
LSI 的工作电压从1.8V 向更低的1.5V 或1.2V 过渡中，对电源均匀性、精度和低纹波将有更严格的要求。
最大导通时间的限制
此外，已决定了PFM 时最大的导通时间。当输入电压接近输出电压，输入输出电压差非常小时，即使由于开关动作成导通状态、电流流过线圈，也难得达到180mA 时，限定最大导通时间（频率的2 倍）可以使开关暂时成切断状态，限制其不连续的过剩导通状态。
＜＜ 专题 ／纹波噪声和尖峰噪声 ＞＞
DC/DC 转换器产生的噪声大致分为纹波噪声和尖峰噪声。
纹波噪声
纹波噪声是当开关动作引起的线圈电流、储存在线圈中的电流能量释放到负载电容（CL）时，电容的ESR（串联等价电阻）和直流电流中产生的噪声，根据电容的种类有很大差异。 使用ESR成分多的钽电容及铝电解电容时噪声增大，使用陶瓷电容等低ESR 电容时则较小，成正弦波式的纹波波形。（参照图8）
尖峰噪声是随当开关动作转换的时机产生的高频噪声，其原因主要在于驱动晶体管陡峭地启动或停止时而产生的。当需要观测尖峰噪声时，必须注意测定方法。 根
据测定用布线的处理方法，有可能不能正确地测定。特别需要注意的是探头附近的接地处理。为了不让探针收集噪声而实施取消探针接地等处理，必须把探针端子以最短距离直接与引脚接触。此外，常见的失败中，有在测定器的高频过滤器开关成导
通状态时进行测定的事例。DC/DC 转换器的尖峰噪声为20～50MHｚ的高频噪声。当然，在高频过滤器成导通状态时是测定不出的。（参照图9）
应用于能改变输出电压工作的电路
在为此IC 准备的选择用FB 端子上再增加一只电阻，连接DA 转换器或N 沟道开漏，可以构成如图10 所示的输出电压可变电路。
这是一种对应于微机等的工作状态能方便地调整电压的方法。把FB 端子电压（VFB）设定为在0.8V 反馈的状态。使用DAC 时的输出电压由VOUT＝（VFB－VDAC）（RFB1／RFB2）＋VFB来决定。图1 说明VOUT 和VDAC 的关系。
在图11 中插入了方形波和正弦波用来评价对应于DAC 输出的VOUT 电压的追随性
如输出电压有2 个数值，则能方便地使用N 沟道开漏。（参照图12）
N沟道开漏导通时、VOUT=0.8V×(RFB1+RFB2）/RFB2
N沟道开漏切断时、VOUT=0.8V×(RFB1＋RFB2+RFB3）/(RFB2+RFB3)
4、实现了抑制纹波的技术
在PFM/PFM 自动转换时抑制纹波
这种IC 最大的特长是从PFM工作过渡到PWM工作时的纹波电压低。从轻负载向重负载过渡时，PFM 的脉冲间隔逐渐地靠近。当最终达到PWM 工作的频率时，过渡到PWM 工作状态。但是，既往的XC9226 等产品在达到PWM 工作条件之前，不能鲜明地产生分散的脉冲，而是产生成群的脉冲。 （参照图13）
PFM 工作时，负载电流变大输出电压下降时开关开始动作，此时，如1 次开关动作不能恢复输出电压，将继续进行第2 次开关动作。如第2 次的开关动作还不能恢复则继续进行第3 次恢复工作。因为在达到恢复输出电压为止连续进行开关动作，线圈电流局部性地重叠增大，形成了输出大纹波电压的原因。
因为PFM 间歇性地开关动作，不能均匀地分散线圈电流，即使在局部性电流大的状态下，也不能利于输出电流和输出电压的平衡关系。
与此相对，当PWM 工作时，因为在一定周期内进行开关动作，有必要按一定的电流平均地分散线圈电流。
XC9236 系列的PWM/PFM 自动转换控制飞跃性地抑制了这种局部性的脉冲群，维持着被平均分散的电流，能连续地从PFM 工作过渡到PWM 工作，如图14 所示实现了在整个负载范围内的低纹波状态。
＜＜ 专题 ／ 权衡小型化和低消耗能量来选择开关动作频率 ＞＞
关于DC/DC 转换器的开关动作频率，不是开关动作快就一定具有优越性。关键的是按照符合需要优先的目的来选择开关动作频率。
因为对DC/DC 转换器抱有能量转换效率高的期待，电流驱动所使用的晶体管采用了低导通电阻的MOSFET 等元件。因为MOSFET 的驱动方法为容量性门驱动，每个开关动作都对门进行反复的充电和放电。一般地说，越是电阻低的MOSFET 其门容量则越大。依此如图15 所示开关动作频率越高次数也越多，不断增加无效的消耗电流及贯通电流，使得效率变低。如重视效率应选择频率低才较为有效。
选择高开关频率的1 个优点在于零部件的小型化。提高频率能减少为所使用的线圈设定的电感值，其结果在于减少卷线的圈数而达到缩小线圈体积有利于被选用。卷线的圈数减少使得串联电阻降低，即使是同样尺寸的线圈则卷线直径变粗，减少串联电阻成分能带来改善能量效率。
此外，在选择线圈时，有必要注意重叠特性进行选择。例如，需要200mA 的输出电流时，线圈中流过的峰值电流达到300mA。（图14-④）当线圈的重叠特性差时，线圈电流的倾斜度增大而引起峰值电流增大最终导致纹波增大。此时如限定电流开始工作将有可能影响到相位控制。应宽余地选择带有重叠特性余量的线圈。
参考文献
１、特瑞仕半导体 TIP（技术信息报） No.00006 「评价和降低尖峰噪声的方法」
