DC-DC升压芯片MP9185

一、芯片特性

MP9185是一款固定频率600kHz，宽输入范围，高度集成的升压转换器。

MP9185从低至2.7V的输入电压开始，通过集成低R DS（ON）功率MOSFET的1节电池支持高达30W的负载功率。

MP9185采用恒定关断时间（COT）控制拓扑结构，可提供快速瞬态响应。

MODE支持在轻载条件下选择脉冲跳跃模式（PSM），强制连续导通模式（FCCM）和超声波模式（USM）。

全面的保护功能包括可编程输入欠压锁定（UVLO）和过温保护（OTP）。

二、电气特性

1.电源

①启动输入电压 2.7v--13v。

②工作输入电压 0.8v--13v。

③VDD工作电压 2.3v--3.4v。

④休眠模式电流 2μA。

2.使能控制

①使能引脚低电平 < 0.4v、高电平 > 1.0v，开启电压1.23v。

②使能响应时间 180μs。

3.升压电源

电源电压 > 3.3v 才能开启升压。

4.电流限制

电池输出电流限制21.5A。

5.保护电压

输出保护电压16.5v，解除保护电压0.2v。

6.过温保护

芯片温度超过150°C时保护，解除保护温度25°C。

三、芯片内部框图

Q1 = LS_FET Q2 = HS_FET

四、应用信息

1.升压模式

①强制连续传导（FCCM）模式

如果MODE设置为高电平（> 1.6V），MP9185可在任何负载条件下以固定频率PWM模式工作。

在这种情况下，关断时间由内部电路决定，以达到基于VIN / VOUT比率的600kHz频率。当负载降低时，平均输入电流下降，并且在关断时间（LS-FET关闭且HS-FET导通）期间，从VOUT至VIN的电感电流可能变为负值。这迫使电感电流以固定频率工作在连续导通模式（FCCM）下，产生比PSM低的输出纹波。

②脉冲跳跃模式（PSM）

如果MODE电压较低（0.2V <V MODE <0.7V），MP9185在轻载条件下工作在PSM模式。

在这种情况下，一旦电感电流下降到0A，HS-FET就会关闭，以停止从VOUT流向VIN的电流，迫使电感电流工作在非连续导通模式（DCM）。同时，一旦MP9185进入DCM，内部关闭时间会变长。关断时间与每个周期中HS-FET的周期成反比。在深DCM情况下，MP9185可降低开关频率并节省功耗。如果V COMP降至0.5V PSM阈值，MP9185将停止切换以进一步降低开关功耗。一旦V COMP上升到0.5V以上，开关恢复。开关脉冲在非常轻的负载条件下基于V COMP跳过。在轻负载情况下，PSM的效率比FCCM高很多，但输出纹波可能更高，频率可能会下降并产生可听噪声。在DCM中，频率较低，并且LS-FET在延长的关断时间内不会导通。如果负载增加并且COMP运行时间更长，则关断时间缩短，并且MP9185定期返回到600kHz固定频率，因此该环路可以响应高负载电流。

③超声波模式（USM）

为了避免PSM中开关频率低于20kHz的可听噪声，MP9185通过悬空MODE或设置USM范围内的MODE（0.9V <V MODE <1.2V）实现USM。

在USM中，电感电流在DCM中工作，当负载降至中等水平时，频率在PSM中延伸。但是，当COMP下降到0.5V PSM阈值时，切换不会停止。即使V COMP低于PSM阈值，LS-FET的导通时间也由COMP控制，除非触发最小导通时间。如果负载仍在下降，MP9185会继续降低开关频率。一旦MP9185检测到LS-FET关闭30μs，它将强制LS-FET导通。这限制了频率，避免了轻载或空载条件下的可听频率。由于23kHz的最小频率，USM可能会将更多的能量转换为输出，而不是所需的负载，这会导致VOUT升高到正常电压设置以上。当VOUT上升并且V COMP下降时，电感峰值电流也可能下降。如果V COMP低于一个内部钳位电平，则HS-FET零电流检测（ZCD）阈值逐渐调节为一个负电平，因此电感器中的能量可以在每个周期内流回VIN。这使输出保持在> 23kHz频率的设定电压。如果V COMP再次上升，MP9185也可以工作在600kHz频率。如果频率高于典型的33kHz，则USM具有与PSM相同的效率。如果频率被钳制在典型的33kHz，USM的功耗比PSM更大，但USM不会引入由PSM中的群脉冲引起的可听噪声。

2.最短接通时间和最短关断时间

MP9185在每个周期80ns的状态下将LS-FET置于导通状态，以增强抗噪声能力。这个80ns的最短时间限制了高VIN / VOUT比率的应用。 MP9185还在每个周期中以最小的关断时间使LS-FET关闭状态变为空白状态。在最短关断时间内，LS-FET不能导通，最小关断时间足够短，可将0.8V输入转换为14V输出。

3.LS-FET和HS-FET最大导通时间

如果电感电流不能在7.5μs的导通时间内触发V COMP，MP9185将关闭LS-FET。 LS-FET关断后，电感电流通过HS-FET，并在关断时间内为VOUT充电。这有助于在重负载瞬态条件下刷新VOUT，最低频率约为133kHz。

在CCM条件下，HS-FET准时限制在8μs以下。这有助于限制USM中VOUT接近VIN时的最大LS-FET关断时间。在USM或重负载PSM中，如果VIN太接近VOUT，则HS-FET可能会因8μsHS-FET的最大导通时间而关闭，因为电感电流不能在此8μs限制内下降。 HS-FET关闭后，LS-FET立即通过V COMP进行一次脉冲控制，HS-FET再次导通。这使得LS-FET以准恒定的最小占空比工作。如果VIN足够高，则在占空比下，VOUT高于设置电压。在PSM和轻负载下，IC采用普通的PSM逻辑工作。当VOUT高于设置电压时，IC停止工作，并在VOUT降至设置电压以下时恢复开关。

4.VDD电源

MP9185内部电路由VDD供电。

VDD上需要一个不小于4.7μF的陶瓷电容。当VIN低于3.4V时，VDD由VIN或VOUT中的较高值供电。这使得MP9185即使在低输入电压下也能保持低R DS（ON）和高效率。当VIN高于3.4V时，VDD始终由VIN供电。这会降低VOUT至VDD调节器的损耗，因为VOUT始终高于VIN。如果VDD由外部电源供电，并且电压高于3.4V，则VIN和VOUT的稳压器将被禁用。在这种情况下，即使VIN低至0.9V，一旦外部VDD电源高于VDD UVLO，MP9185就会启动。当VDD由外部电源供电时，MP9185继续工作，即使VIN和VOUT均下降但高于0.8V。外部VDD电源应限制在3.6V以内。

有一个反向阻断电路来限制VIN和VOUT之间的电流。如果外部VDD电源高于VDD调节电压，则电源由外部电源供电，并且电流从VDD到VIN或从VDD到VOUT没有路径。当VIN高于约0.9时，VDD被充电V和EN高于微功率阈值。如果EN为低电平，则VDD从VIN和VOUT断开。在VIN启动期间用VIN高于2.7V的电源电压来提供足够的VDD电源电压。

5.启动电压

当MP9185输入通电时，它开始从VIN充电VDD。一旦VDD上升到其UVLO门限以上并且EN处于高电平，MP9185将开始进行闭环控制切换。如果VDD由附加电源供电，则MP9185在VDD上升到欠压锁定（UVLO）阈值以上时开始切换。

IC启用后，MP9185以软启动（SS）控制启动。 SS信号通过从0V对SS充电并与内部参考电压进行比较来控制。较低的值被馈送到误差放大器以控制输出电压。 SS信号上升到参考电压以上后，软启动完成，内部参考负责反馈回路调节。如果在PSM期间VOUT上存在一些偏置电压，MP9185将停止切换，直到SS信号上升到V FB以上，这与VOUT偏置电压成正比。如果IC采用USM或FCCM，则MP9185的工作频率约为33kHz或600kHz。 USM和FCCM都有一个负电感电流，所以如果VOUT偏置很高，能量可能会从VOUT转移到VIN。

6.同步整流器和BST功能

MP9185集成了LS-FET Q1和HS-FET Q2，以减少外部组件损耗。在开关期间，整流器开关Q2由BST供电（典型值高于SW电压3.4V）。当LS-FET导通时，该3.4V自举电压由VDD充电。

7.开关电流限制

MP9185提供固定的逐周期开关峰值电流限制。在每个周期内，一旦检测到的电流达到典型的21.5A电流限制，内部电流感应电路监视LS-FET电流信号，LS-FET Q1关闭，LS-FET电流信号在内部消隐大约80ns从而增强抗噪声能力。

8.使能（EN）和可编程UVLO

EN启用和禁用MP9185。

当施加高于EN高门限（1V最大门限）的电压时，MP9185将启动一些内部电路（微功耗模式）。如果EN电压超过导通阈值（1.23V），MP9185将启用所有功能并开始升压操作。当EN电压降至其导通阈值（1.23V）以下时，升压切换禁用。要完全关断MP9185，EN上需要一个<0.4V的低电平电压。关断后，MP9185从输入功率吸收电流（典型值小于2μA）。 EN兼容高达13V的电压。为了自动启动，直接将EN连接到VIN。 MP9185具有可编程的UVLO迟滞。在微功耗模式下上电时，EN从上电阻（R TOP）吸收5μA电流。

VIN必须增加以克服电流下降。 VIN启动阈值由公式（1）确定：

其中V EN-ON是EN电压导通阈值（典型值为1.23V）。一旦EN电压达到V EN-ON，5μA 灌电流就会关闭，从而为VIN下降阈值创建反向滞后，可用公式（2）计算：

9.过电压保护（OVP）

如果VOUT检测到过压（典型值）为16.5V阈值，MP9185将立即停止升压，直到电压降至16.3V。这可以防止输出和内部功率MOSFET的过压。

10.热保护

热关断功能可防止IC在极高的温度下工作。当芯片温度超过150°C时，芯片关闭并在芯片温度降至25°C时恢复正常工作。

五、应用参数

1.设置输出电压

外部电阻分压器用于设置输出电压。通常，选择R1在300 - 800kΩ之间。然后计算R2：

当V REF为1V时，R1为上拉反馈电阻，R2为下拉反馈电阻。

2.选择输入电容
输入电容（C1）用于维持直流输入电压。建议使用低ESR陶瓷电容器。输入电压纹波可用公式（4）估算：

其中f S是开关频率，L是电感值。

3.选择输出电容

升压转换器的输出电流是不连续的，因此需要一个输出电容器（C2）将AC电流提供给负载。为获得最佳性能，建议使用低ESR陶瓷电容器。输出电压纹波可以用公式（5）估算：

其中R L是负载电阻的值。强烈建议使用带X5R或X7R介质的陶瓷电容，因为ESR较低且温度系数较小。

4.选择电感
需要电感来传输输入源和输出电容之间的能量。具有较大值的电感会导致较少的纹波电流和较低的峰值电感电流，从而降低功率MOSFET的压力。但是，较大值的电感器具有较大的物理尺寸，较高的串联电阻和较低的饱和电流。对于大多数设计，电感值可以用公式（6）计算：

选择电感纹波电流约为最大电感峰值电流的20〜50％。通常，建议使用1.5μH电感。确保电感在最坏情况下不会饱和。电感应该有一个低串联电阻（DCR）来降低电阻功率损耗。

5.软启动（SS）电容选择

利用所需的输出电压上升时间（T RISE），可以使用公式（7）计算C SS：

I SS是SS充电电流（7.5μA）。通常，大约3ms的上升时间会选择C SS为22nF。

6.VDD电容选择

MP9185集成了大约3.4V的VDD电源，通常为内部MOSFET栅极驱动器和内部控制电路供电。内部稳压器需要一个4.7μF或更高的陶瓷旁路电容。不要将外部负载连接到VCC电源。

7.BST电容选择

MP9185使用一个自举电路为输出N沟道MOSFET供电。电荷泵电源需要一个外部自举电容。推荐BST和SW之间使用0.1μF的陶瓷电容。

8.模式选择

基于MODE设置，MP9185可以工作在强制连续导通模式（FCCM），脉冲跳跃模式（PSM）或超声波模式（USM）。直接将MODE拉至VDD以便进行FCCM; 浮点模式USM; 将MODE电压从0.2V拉到0.7V，使MP9185工作在PSM模式。如果PSM阈值没有适当的电压，可以使用从VDD到GND的电阻分压器。

典型的VDD电压范围是2V至3.3V。将Rup设置为130kΩ，将Rdown设置为20kΩ以实现MODE上的267-450mV电压。当MODE被拉低到1V以下时，小于2μA的电流流出MODE。 20kΩR BOT导致40mV MODE电压增加。理想的MODE电压约为307 - 490mV。

9.补偿

跨导误差放大器（COMP）的输出用于补偿调节控制系统。系统使用两个极点和一个零点来稳定控制回路。极点F P1由输出电容（C OUT）和负载电阻设置。极点F P2从原点开始。零点F Z1由补偿电容（C COMP）和补偿电阻（R COMP）设定。这些由式（10）和式（11）确定：

其中R LOAD是负载电阻。在连续导通模式下存在右半平面零点（F RHPZ），其中电感电流在每个周期中不会降至零。右半平面零点的频率可以用公式（12）确定：