KP522201A, KP522208A
采用 SOT23-6 封装的 4.5V 至 17V 输入、2A 输出、600kHz 同步降压转换器
1 主要特点
2 典型应用
宽输入电压范围:4.5V to 17V
机顶盒,数字电视
输出电压范围:0.768V to 7V
家庭网络设备
支持 2A 持续输出电流
安防监控设备
电感电流连续模式下 600kHz 的开关频率
智能音响
集成 135mΩ 和 70mΩ 的 MOSFET 开关管
电子 POS 机
低静态工作电流:190μA (无开关动作,典型值)
其他通用电源用途
低关断电流:2.5μA (典型值)
采用恒定导通时间控制实现超快速的动态响应
3 产品描述
KP522201A/08A 是一种简单易用、高效集成的同
两种轻载工作模式:
KP522201A:脉冲频率调制模式 (PFM)
KP522208A:强制脉宽调制模式 (FPWM)
高参考电压精度:0.768V ±1.5% @25℃
集成完善的保护功能:
步降压转换器。它具有 4.5V 到 17V 的宽输入电压
范围,非常适合于 12V 和 15V 等各种常见的输入
电压轨。它支持高达 2A 的持续输出电流,输出电
压范围为 0.768V 至 7V。
精确的使能控制和可调欠压锁定功能
KP522201A 轻载工作在脉冲频率调制模式 (PFM)
内部 1ms 软启动时间,避免过冲电压和电
下以维持高轻载效率;KP522208A 工作在强制脉
宽调制模式 (FPWM) 下以实现全负载电流下固定的
流
逐周期谷底限流保护 (OCL)
开关频率和低输出纹波。
非闭锁的输入欠压保护 (UVLO)、输出欠压
KP522201A/08A 集成了完善的保护功能,包括输
保护 (UVP)、输出过压保护 (OVP) 和过温
入 欠 压 保 护 (UVLO) , 逐 周 期 谷 底 限 流 保 护
保护 (OTP)
(OCL),输出欠压打嗝保护 (UVP),输出过压保护
(OVP) 和过温保护 (OTP),以确保其在不同的工作
紧凑的解决方案尺寸:
支持使用 MLCC 陶瓷电容,且支持低输出
电容数量
条件下保持安全、可靠运行。
KP522201A/08A 采用小尺寸的 SOT23-6 封装,工
无需外部补偿
小封装类型:SOT23-6
作结温范围为 -40℃ 到 125℃。
简化应用电路
100%
90%
80%
KP52220XA
70%
SW
BST
EN
FB
GND
Efficiency
VIN
60%
50%
40%
VIN = 9V, V OUT = 5V
VIN = 12V, V OUT = 5V
VIN = 15V, V OUT = 5V
VIN = 5V, V OUT = 1.05V
VIN = 9V, V OUT = 1.05V
VIN = 12V, V OUT = 1.05V
VIN = 15V, V OUT = 1.05V
30%
20%
10%
0
0.001
简化电路图
DS_KP52220XA_REV1.0_CN
0.01
0.1
Output Current (A)
1
2
KP522201A 典型效率曲线
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1
KP522201A, KP522208A
4.5V 至 17V 输入、2A 输出、600kHz 同步降压转换器
4 订购信息
表 4-1 订购信息
产品型号
工作模式
封装
描述
产品标记
KP522201ALGA
PFM
SOT23-6
无卤,编带盘装,3000 颗/卷
2201A
KP522208ALGA
FPWM
SOT23-6
无卤,编带盘装,3000 颗/卷
2208A
5 产品标记
Y:年份代码
WW:周代码, 01-52
Z:流水码, 1-9 或 A-Z
6
5
Y:年份代码
WW:周代码, 01-52
Z:流水码, 1-9 或 A-Z
4
6
2201A
YWWZ
1
2
5
4
2208A
YWWZ
1
3
SOT23-6
2
3
SOT23-6
6 管脚定义
SOT23-6
表 6.1 管脚功能描述
管脚
名称
类型(1)
功能描述
1
GND
G
电源地和信号地。
2
SW
P
开关节点。用短且宽的走线连接到输出电感。
3
VIN
P
输入电源引脚。在尽可能靠近 VIN 和 GND 引脚的位置加 100nF 的陶瓷去耦电容。
4
FB
I
反馈引脚。输出电压经电阻分压后送至此引脚,用于输出电压设置和控制。
5
EN
I
使能控制引脚。上拉到高或者保持悬空可以使能芯片工作。在将 EN 引脚和 VIN 引脚
连接时,需要串联加入一个不小于 100kΩ 的上拉电阻。EN 引脚同时可以用来调节
VIN UVLO 的保护阈值。
6
BST
P
高侧 MOSFET 驱动的电荷泵电压。在 BST 引脚和 SW 引脚间外接一颗 100nF 的陶
瓷电容以稳定高侧驱动电源。
(1) I – 输入;P – 功率;G – 地
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2
KP522201A, KP522208A
4.5V 至 17V 输入、2A 输出、600kHz 同步降压转换器
7 产品参数
7.1 极限参数
工作结温范围:-40℃ 至 125℃ (除非另有说明)(1)
参数
最小
最大
单位
VIN
-0.3
19
V
SW, DC
-0.3
19
V
-3
21
V
-0.3
19
V
-3
21
V
BOOT
-0.3
25
V
BOOT – SW
-0.3
6
V
EN, FB
-0.3
6
V
工作结温范围, TJ(2)
-40
150
℃
储藏温度范围, TSTG
-65
150
℃
SW, Transient < 10 ns
引脚电压范围
VIN – SW, DC
VIN – SW, Transient < 10 ns
(1) 超出列表 极限参数 可能会对芯片造成永久性损坏。极限参数为额定应力值。在超出 推荐工作条件 和应力的情况下,
芯片可能无法正常工作,所以不推荐让芯片工作在这些条件下。过度暴露在超出 推荐工作条件 下,可能会影响芯片的
可靠性。
(2) 尽管在结温大于 125℃ 时芯片可以工作,但可能会降低器件的寿命。
7.2 防静电等级
参数
值
单位
VESD_HBM
人体模型 (HBM)(1)
±2000
V
VESD_CDM
充电器件模型 (CDM)(2)
±500
V
(1) JEDEC 文件 JEP155 指出,500-V HBM 满足使用标准 ESD 控制流程的安全制造要求。
(2) JEDEC 文件 JEP157 指出,250-V CDM 满足使用标准 ESD 控制流程的安全制造要求。
7.3 推荐工作条件
参数
最小
最大
单位
VIN
输入电压范围
4.5
17
V
VOUT
输出电压范围
0.768
7
V
IOUT
输出电流范围
0
2
A
-0.1
17
V
-3
19
V
-0.1
17
V
SW, 直流
引脚电压范围
SW, 暂态 < 10 ns
VIN – SW, 直流
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3
KP522201A, KP522208A
4.5V 至 17V 输入、2A 输出、600kHz 同步降压转换器
参数
最小
最大
单位
-3
19
V
BOOT
-0.1
22.5
V
BOOT – SW
-0.1
5.5
V
EN(1), FB
-0.1
5.5
V
-40
125
℃
VIN – SW, 暂态 < 10 ns
结温工作范围, TJ
(1) 当直接连接 EN 和 VIN 引脚时,需要在 EN 和 VIN 引脚之间串联加入一个不小于 100kΩ 的上拉电阻,以限制 EN 引
脚的输入电流从而保护内部电路。有关 EN 引脚控制的详细信息,请参见 9.3 精准使能控制和欠压锁定调整功能。
7.4 热性能参数
KP522201A/08A
参数
单位
SOT23-6
RθJA(EVM)(1)
结到环境的热阻值 (基于相应评估板)
℃/W
69
(1) RθJA(EVM) 是基于相应评估板实际工作时测量得到的热阻信息。评估板信息:60mm x 45mm, FR-4, TG150, 1.6mm 板
厚,2 层板 2Oz 铜箔。测试条件:VIN = 12V, VOUT = 5V, IOUT=2A, TA = 25℃。此热阻值仅供参考,实际热阻与 PCB
的板材、布局布线及测试环境条件有关。
7.5 电气参数
VIN = 12V, TJ = -40℃至 125℃ (除非另有说明)。
典型值是指在 VIN =12 V, TJ = 25℃ 时最可能的参数。
最小和最大值是通过设计、样品测试及批量生产制造通过的参数测试决定的。
符号
参数
测试条件
最小
典型
最大
单位
17.0
V
输入供电部分 (VIN 引脚)
VIN
工作输入电压
4.5
VIN 静 态 工 作 电 流 ,
KP522201A
VIN 静 态 工 作 电 流 ,
KP522208A
无开关动作,VEN = 5 V,
VFB = VREF*105%, IOUT = 0 A
无开关动作, VEN = 5 V,
VFB = VREF*105%, IOUT = 0 A
ISHDN(VIN)
VIN 关断电流
VIN = 12 V, VEN = 0 V
VUVLO(R)
VIN UVLO 上升阈值电压
VIN 上升
VUVLO(F)
VIN UVLO 下降阈值电压
IQ(VIN)
190.0
µA
193.0
µA
2.5
4.5
µA
4.0
4.2
4.4
V
VIN 下降
3.6
3.8
4.0
V
使能控制部分 (EN 引脚)
VEN(R)
EN 上升阈值电压
EN 上升,使能开关工作
1.15
1.21
1.27
V
VEN(F)
EN 下降阈值电压
EN 下降,禁止开关工作
1.08
1.14
1.20
V
IEN(P)
EN 引脚拉电流(1)
VEN = 1.0 V
0.84
1.11
1.38
µA
IEN(H)
EN 引脚迟滞电流
2.27
2.72
3.23
µA
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4
KP522201A, KP522208A
4.5V 至 17V 输入、2A 输出、600kHz 同步降压转换器
反馈电压部分 (FB 引脚)
VFB
IFB(LKG)
FB 引脚电压
FB 引脚输入漏电流
TJ = 25℃
0.756
0.768
0.780
V
TJ = -40℃ 至 125℃, VIN = 12 V
0.753
0.768
0.783
V
TJ = 25℃
-100.0
0.0
100.0
nA
启动控制部分
TSS
内部软启动时间
从 10% VOUT 至 90% VOUT
1.0
ms
TDLY
EN 延迟时间
从 EN 置高至第一次开关脉冲
400
µs
开关频率 (电感电流连续
工作时)
VIN = 12V, VOUT = 1.05V,
电流连续
600
kHz
RDSON(HS)
高侧 MOSFET 导通电阻
TJ = 25℃, VIN = 12V,
VBOOT-SW = 5V
135
mΩ
RDSON(LS)
低侧 MOSFET 导通电阻
TJ = 25℃, VIN = 12V
70
mΩ
tON(min)(2)
最短导通时间
50
ns
tOFF(min)
最短关断时间
200
ns
死区时间
10
ns
过零检测点
80
mA
开关频率部分
FSW
功率级部分
tDEAD
IZC
过流保护部分
ILS(OC)
ILS(NOC)
谷 底 电 流 限 流 值 ,
KP522201A
反 向 电 流 限 流 值 ,
KP522208A
VIN = 12 V
2.7
3.1
3.5
A
VIN = 12 V
0.85
1.15
1.45
A
输出过压保护和欠压保护部分
VUVP
THCP(WAIT)
THCP(OFF)
VOVP
欠压保护阈值电压
VFB 下降
65%
UVP 迟滞电压
6.5%
UVP 进入打嗝模式前的
等待时间
打嗝模式到重新软启动
的时间
过压保护阈值电压
110.0
µs
12.0
ms
VFB 上升
115%
OVP 迟滞电压
6.5%
过温保护
TJ(SD)
过温保护阈值
155
℃
TJ(HYS)
过温保护恢复迟滞
30
℃
(1) 在 EN 引脚悬空时,此 EN 引脚拉电流将 EN 电压拉到高电平,从而芯片悬空也能正常工作。
(2) 由电路设计保证。
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KP522201A, KP522208A
4.5V 至 17V 输入、2A 输出、600kHz 同步降压转换器
7.6 参数特性曲线
VIN = 12V, TA = 25℃ (除非另有说明)
230
Quiescent Current (μA)
Quiescent Current (μA)
230
220
210
200
190
180
170
160
150
-40
-10
20
50
80 110
Junction Temperature (°C)
200
190
180
170
160
0.772
0.770
0.768
0.766
0.764
-10
20
50
80 110
Junction Temperature (°C)
0.762
-40
140
80 110
-10
20
50
Junction Temperature (°C)
140
图 7-4 参考电压 VS. 结温
110
240
220
Low-side Rdson (mΩ)
High-side Rdson (mΩ)
140
0.774
图 7-3 关断电流 VS. 结温
200
180
160
140
120
100
80
-40
-10
20
50
80 110
Junction Temperature (°C)
图 7-2 输入静态电流 (KP522208A) VS. 结温
FB Voltage (V)
Shutdown Current (μA)
210
150
-40
140
图 7-1 输入静态电流 (KP522201A) VS. 结温
5
4.6
4.2
3.8
3.4
3
2.6
2.2
1.8
1.4
1
-40
220
-10
20
50
80 110
Junction Temperature (°C)
图 7-5 高侧 MOSFET 导通电阻 VS. 结温
DS_KP52220XA_REV1.0_CN
140
100
90
80
70
60
50
-40
80 110
50
20
-10
Junction Temperature (°C)
140
图 7-6 低侧 MOSFET 导通电阻 VS. 结温
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6
KP522201A, KP522208A
4.5V 至 17V 输入、2A 输出、600kHz 同步降压转换器
VIN = 12V, TA = 25℃ (除非另有说明)
1.30
4.6
EN Threshold (V)
UVLO Threshold (V)
4.8
4.4
4.2
4.0
3.8
3.6
UVLO ON
UVLO OFF
3.4
3.2
-40
-10
20
50
80 110
Junction Temperature (°C)
1.25
1.20
1.15
1.10
1.05
-40
140
Valley Current Limit (A)
Switching Frequency (kHz)
80 110
50
20
-10
Junction Temperature (°C)
140
600
590
580
570
560
550
540
530
520
510
500
-40
Switching Frequency (kHz)
Switching Frequency (kHz)
800
600
VOUT = 5V
VOUT = 1.05V
500
400
300
200
100
0
0.001
140
-10
20
50
80 110
Junction Temperature (°C)
140
图 7-10 开关频率 VS. 结温
图 7-9 谷底电流限流阈值 VS. 结温
700
-10
20
50
80 110
Junction Temperature (°C)
图 7-8 EN 阈值电压 VS. 结温
图 7-7 VIN UVLO 阈值 VS. 结温
4.0
3.8
3.6
3.4
3.2
3.0
2.8
2.6
2.4
2.2
2.0
-40
EN ON
EN OFF
660
640
620
600
580
560
540
VOUT = 5V
VOUT = 1.05V
520
500
0.1
0.01
Output Current (A)
图 7-11 开关频率 (KP522201A) VS. 输出电流
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1 2
6
8
12
14
10
Input Voltage (V)
16
图 7-12 开关频率 (KP522208A) VS. 输入电压
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7
KP522201A, KP522208A
4.5V 至 17V 输入、2A 输出、600kHz 同步降压转换器
8 功能框图
EN UVLO EN UVLO
EN
VIN
VIN
VCC
VCC, Vbias,
VREF电压轨
UVLO
BST
VREF
FB
FB
VCC
CMP
HSF
EN UVLO
VUVP
UVP
打嗝保护
FB
VOVP
VTj
VOT
OVP
OTP
导通 时间定 时器与 控制及 保护逻 辑
SS
SW
死区时间
VCC
LSF
OCL
ZC
NOC
VOCL
GND
SW
VZC
SW
VNOC
SW
ZC 模块 (仅 KP522201A)
NOC 模块 (仅 KP522208A)
9 功能描述
KP522201A/8A 是一颗用于各种中压输入电压轨
9.1 恒定导通时间控制
(4.5V-17V) 应用的 2A 直流同步降压转换器,尤其
KP522201A/8A 采用内置电压误差积分器的恒定导
适用于 12V 的输入电压轨。该转换器采用恒定导
通时间控制 (COT) 策略。COT 控制利用输出电压
通时间 (COT) 控制策略,实现了超快的瞬态响
谷底纹波基于比较器和导通时间定时器实现输出电
应,同时无需外部环路补偿,有助于节省输出电容
压调控的目的。
和减少解决方案的整体尺寸。另外 KP522201A/8A
的内部导通时间定时器与输入电压成反比,与输出
在每个周期的开始,每当反馈引脚 FB 上的电压低
电压成正比,实现了在不同的工作条件下固定的工
于内部参考电压时,芯片内置高侧 MOSFET (HSF)
作频率。该产品还额外集成了输出电压误差放大
被打开,并且持续开通固定的导通时间后关闭,此
器,可以消除 COT 控制策略形成的半个纹波的直
开通时间由导通时间定时器确定。该导通时间定时
流输出电压失调,从而达到更高的输出电压精度和
器由输出电压和输入电压共同决定,以使开关频率
负载调整率。在轻载条件下,KP522201A 工作在
在全输入电压范围内保持接近恒定。当导通时间定
脉冲频率调制模式 (PFM) 中,通过降低开关频率
时器定时完毕后,HSF 将会保持关闭至少 200ns
来保持高轻载输出效率;而 KP522208A 工作在强
(最小关断时间)。最小关断时间后,如果反馈引脚
制脉宽调制模式 (FPWM) 中,通过保持开关频率的
FB 上的电压低于内部参考电压,则 HSF 将再次打
恒定以保持低输出电压纹波。
开一个固定导通时间。如此反复,转换器实现了保
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8
KP522201A, KP522208A
4.5V 至 17V 输入、2A 输出、600kHz 同步降压转换器
持准恒定频率的同时维持了输出电压的稳定。
VIN 电压高于 VIN 欠压锁定阈值 (VUVLO(R)),芯片
也被禁用,开关动作停止。在关机模式下,芯片的
KP522201A/8A 内部集成了纹波注入电路来模拟输
输入电流降低到最低的关断电流 (典型值为
出电压纹波从而实现了在低 ESR 的陶瓷输出电容
2.5µA)。
(MLCC) 的低输出纹波条件下的稳定工作。另外,
内部还集成了一个斜坡信号产生电路,以减少开关
EN 引脚有一个内部上拉电流源,从而允许用户保
抖动。
持 EN 引脚悬空来使能芯片。另外根据实际应用需
要,EN 引脚可以接在外部逻辑控制接口上以实现
9.2 脉冲频率调制模式 (PFM) 和强制脉宽调制
模式 (FPWM)
KP522201A 在轻载工作条件下自动进入脉冲频率
调制模式 (PFM),以保持轻载高效率。当负载电流
逐渐减小时,电感电流纹波的波谷逐渐下降,直至
电感电流波谷为 0A,此时即为电感电流连续导通
芯片的使能控制。EN 引脚内部集成了一个 5V 的
稳压二极管 (典型的击穿电压为 6.9V) 以保护内部
电路受到过压风险。在将 EN 引脚外接到高于 6V
的电压比如 VIN 电压时,串联加入上拉电阻 (不小
于 100kΩ) 以限制 EN 引脚的输入电流,防止损坏
齐纳二极管,见图 9-1 所示。
模式和不连续导通模式的临界——电感电流临界导
通模式。继续降低负载电流,当检测到电感电流过
VIN
零 时 , KP522201A 将 会 关 闭 低 侧 MOSFET
(LSF),从而电感电流保持为零。在这种情况下,
IEN(P)
Rpull-up
输出电容只被负载电流放电,输出电压下降速度变
IEN(H)
EN
慢,从而开关频率将会降低。由于开关频率的降
2k
低,轻载时的开关损耗也将降低,从而提高了系统
VEN(R)
VEN(F)
GND
的轻载效率。
图 9-1 串联上拉电阻到 VIN
KP522208A 在轻载条件下工作在强制脉宽调制模
式 (FPWM),以保持开关频率的恒定和维持低的输
VIN 欠压锁定功能 (UVLO) 禁止芯片在输入供电电
出电压纹波。当 HSF 处于关断状态时,LSF 将在
压过低时工作。UVLO 比较器监测内部稳压电源
10ns 后的死区时间后被强制打开,直到在下一个
VCC 的输出电压大小。当 VIN 下降到 VUVLO(F) 以下
周期 HSF 打开前关闭。这种工作模式不检测电感
时,芯片停止开关工作,禁止使能。当 VIN 上升到
电流过零点,允许电感电流通过 LSF 的漏-源极从
VUVLO(R) 以上时,如果此时 VEN 也大于 VEN(R),则
输出电容流到开关节点,称为反向电流。在这种情
芯片使能,开始软启动恢复正常工作。
况下,开关频率在整个负载电流范围内几乎保持恒
定,实现低轻载输出电压波纹。
VIN
9.3 精准使能控制和欠压锁定调整功能
IEN(P)
REN(TOP)
EN
KP522201A/8A 提供一个芯片外部使能控制引脚
(EN) 以使能或禁止芯片工作。当 EN 引脚电压高于
EN 上升阈值电压 (VEN(R)) 且 VIN 电压高于 VIN 欠
IEN(H)
2k
REN(BOT)
VEN(R)
VEN(F)
GND
压锁定阈值 (VUVLO(R)) 时,芯片使能开始正常工
作。如果 EN 引脚电压被拉低到阈值电压 (VEN(F))
图 9-2 VIN UVLO 阈值设置
以下,则芯片停止开关动作并进入关机模式,即使
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9
KP522201A, KP522208A
4.5V 至 17V 输入、2A 输出、600kHz 同步降压转换器
KP522201A/8A 的 VIN UVLO 的上升和下降阈值
内部软启动时间 TSS 固定为 1ms,规定为输出电压
为固定值,且典型迟滞电压为 400mV。如果实际
从 10% 升到 90% 的时间。
应用中需要设置更高的阈值和迟滞电压,芯片支持
在 EN 引脚外接分压电阻实现 VIN UVLO 上升阈值
如果输出电容在芯片启动时已经处于预偏置电压状
和 VIN UVLO 下降阈值自定义设置,从而避免芯片
态,KP522201A/8A 仅在内部参考电压 SS 大于反
在开关机时刻由于 VIN 的尖峰噪声和纹波导致芯片
馈电压 VFB 后才启动开关,VOUT 开始上升。该预
反复重启,如图 9-2 所示。
偏置软启动方案保证了芯片输出电压平稳地上升进
入稳定状态。
EN 引脚内部有一个上拉电流源 (IEN(P)),使得芯片
在 EN 引脚外部悬空时处于使能状态。同时,上拉
电流源同样也可被用于设置外部 VIN UVLO 功能的
电压阈值和迟滞。引脚 EN 引脚电压 VEN 由 VIN 分
VIN
4.2V
压得到,当 VEN 随着 VIN 上升而大于 VEN(R) 时,额
1.21V
外的一个上拉迟滞电流源 (IEN(H)) 会被打开从而改
变 VEN 的电压比,实现上升和下降阈值分别自定义
EN
1.0ms
90%
配置的功能。使用如下公式 9-1 和公式 9-2 可以计
算得到指定 VIN UVLO 阈值的 REN(TOP) 和 REN(BOT)
配置,其中 VIN(START) 和 VIN(STOP) 为自定义配置的
输入启动电压和关闭电压值。
VOUT
40µs
400µs
10%
图 9-3 软启动时序图 (EN 悬空时)
9.5 输出欠压打嗝保护
VIN(START)
R EN(TOP) =
R EN(BOT) =
VEN(F)
− VIN(STOP)
VEN(R)
V
IEN(P) 1 − EN(F) + IEN(H)
VEN(R)
KP522201A/8A 集成了输出欠压打嗝保护 (UVP)
9-1
功能,通过不断监测反馈电压 VFB 防止芯片输出过
载或短路。如果 VFB 低于输出欠压保护阈值 (VUVP)
(典型值为内部反馈参考电压的 65%),欠压比较器
的输出将会置高,以关闭内部高侧和低侧
R EN(TOP) VEN(F)
VIN(STOP) − VEN(F) + R EN(TOP) (IEN(P) + IEN(H) )
9-2
9.4 软启动和预偏置软启动
MOSFET 开关管,阻止芯片继续开关工作。
如果输出欠压状态持续时间大于固定等待时间
(THCP(WAIT)),KP522201A/8A 将以打嗝模式进入输
KP522201A/8A 集成了内部软启动功能,以减小芯
片启动上电过程中的冲击电流和保证输出电压平稳
上升。当 VIN 高于 UVLO 阈值时,输出电压从 EN
上升沿延迟 440µs (典型值) 后开始上升。当芯片启
动时,内部的软启动电路产生一个从 0V 开始上升
的软启动电压 (SS)。当 SS 低于内部参考电压
出欠压保护 (UVP)。在打嗝模式下,芯片将首先关
闭内部高侧和低侧 MOSFET 开关管持续固定打嗝
时间 (THICCUP(OFF)),然后尝试自动软启动重启。软
启动完成后,若故障条件消除,芯片将恢复正常运
行;否则继续进入打嗝保护然后自动重启的循环状
态,直到故障条件消除为止。
(VREF) 时,SS 覆盖 VREF,因此电压误差积分器和
控制比较器使用 SS 作为参考电压,输出电压跟随
SS 平稳上升。当 SS 升到 VREF 电压时,VREF 重新
获得控制,参考电压稳定为 VREF,输出电压随之稳
定在设定值 VOUT ,软启动结束。KP522201A/8A
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4.5V 至 17V 输入、2A 输出、600kHz 同步降压转换器
感的能量泄放出去。此功能可以限制反向电流保持
在 NOC 阈值以上,从而保护低侧 MOSFET。另
外,NOC 限流在最小关断时间内不生效。
9.8 输出过压保护
KP522201A/8A 集 成 了 输 出 过 压 保 护 (OVP) 功
图 9-4 UVP 进入打嗝保护模式
能,以减小输出电压过冲,并保护下游用电设备免
受在输出故障条件或者突减负载时可能出现的高压
尖峰的损坏。OVP 电路通过监测反馈电压 (VFB) 检
测过压条件。当 VFB 超过 OVP 阈值 (VOVP) 时,
OVP 比较器输出置高,内置高侧和低侧 MOSFET
都将关闭,以避免 VOUT 进一步升高。一旦 VOUT 低
于 VOVP ,芯片开始再次工作。输出过压保护功能
为非锁存功能。
图 9-5 UVP 退出打嗝保护模式
9.6 输出限流保护
9.9 过温保护
KP522201A/8A 集成了逐周期谷底限流保护 (OCL)
KP522201A/8A 具有过温保护 (OTP) 功能,以防
功能。每当内部低侧 MOSFET 导通时,芯片检测
止由于功率耗散过大而导致的芯片过热损坏。芯片
电感电流,当电感电流大于电流限流阈值 (ILS(OC))
时,限流比较器翻转,KP522201A/8A 进入 OCL
模式。此时,芯片内部高侧 MOSFET 保持关断状
态,直到电感电流下降小于电流限流阈值 (ILS(OC))
后才会再次开启。如果芯片的负载电流超过电感电
内部电路检测芯片结温,当结温超过过温保护阈值
(TJ(SD)) 时,OTP 比较器翻转,芯片停止开关动
作,从而结温下降。一旦结温下降到低于过温保护
迟滞阈值后 (TJ(HYS)),芯片将恢复正常运行,开始
重新开始软启动。
流 (电感电流被 OCL 钳位),则输出电容需要提供
额外的电流,从而输出电容放电,输出电压开始下
降。当输出电压低于输出欠压保护阈值 (VUVP) 时,
芯片将停止工作,进入到 UVP 打嗝模式,以避免
温升过高的情况出现。
9.7 反向电流限流保护 (仅 KP522208A)
KP522208A 在轻载条件下工作在 FPWM 模式,从
而允许低侧 MOSFET 通过反向电流。在 FPWM
模式下,如果输出端由于意外被连接到外部电源
上,芯片可能工作在反向升压模式,产生很高的反
向电流以至损坏芯片。KP522208A 内部集成低侧
MOSFET 电流检测电路,当检测到低侧 MOSFET
反向电流大于反向限流阈值 (NOC) 时,立即关闭
低侧 MOSFET,然后打开高侧 MOSFET 将输出电
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4.5V 至 17V 输入、2A 输出、600kHz 同步降压转换器
在对输出电压精度要求比较高的应用场景下,推荐
10 应用指南
选择 1% 或者更高精度的分压电阻。
同步降压变换器的输出级主要由电感和电容组成,
通过内部集成的功率 MOSFET 管的开关切换,将
10.2
输出电感选型
能量存储并传递给负载,并形成二阶低通滤波器平
滑开关节点电压,得到稳定的输出直流电压。本节
基于设计实例主要描述详细的设计过程。
电感的选型关系到芯片方案的体积、成本、效率和
暂态响应性能。主要考虑电感的 3 个关键参数:电
感量 (L),电感饱和电流 (ISAT) 和电感直流电阻
10.1
(DCR)。
输出电压设置
如图 10-1 所示,KP52220XA 可以通过使用外部分
为折衷考虑电感的体积和功耗,推荐选择电感使电
压电阻连接到 FB 引脚来设置不同的输出电压。输
感电流的纹波 (ΔIL) 为 KP52220XA 的额定电流
出电压与外部分压电阻的公式如下:
(Irated) 的 20%-50%,见如下公式:
R
VOUT = VREF × 1 + FB(T)
R FB(B)
L=
VOUT × (VIN − VOUT )
VOUT × (VIN − VOUT )
=
VIN × fSW × ΔIL
VIN × fSW × Irated × K L
其中
其中 VREF = 0.768V
VIN 为输入电压
VOUT
FB
KP52220XA
RFB(T)
VOUT 为输出电压
RFB(B)
fSW 为开关频率
GND
Irated 为 KP52220XA 的额定电流:2A
图 10-1 输出电压设置
KL 为电流纹波系数:20%-50%
推荐从分压下电阻 RFB(B) 开始设计。过大的 RFB(B)
会导致 FB 引脚更容易收到外界噪声干扰,而过小
的 RFB(B) 会增大分压电阻的功率损耗。综合考虑二
者,推荐选择 RFB(B) = 10kΩ~50kΩ。则分压上电阻
RFB(T) 可由如下公式计算得到:
R FB(T) = R FB(B)
KP52220XA 采用 COT 控制架构,针对常见输出
电压进行了优化设计,推荐直接参照表 10-1 外围
器件推荐表进行电感选型即可。
根据表 10-1 外围器件推荐表选择好电感值后,实
际电感电流纹波 ΔIL 和峰值 (IL(peak)) 可以通过以下
V
× OUT − 1
V
REF
公式得到:
ΔIL =
其中 VREF = 0.768V
VOUT × (VIN − VOUT )
VIN × fSW × L
例如,在输出电压为 5V 的应用中,取 RFB(B) 为
10kΩ,RFB(T) 计算为 55.1kΩ,据此选择 54.9kΩ 的
IL (peak ) = IOUT (MAX ) +
ΔIL
2
标称贴片电阻。
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波和峰值电流为:
其中
IOUT(MAX) 为实际工作的最大输出电流
ΔIL =
5 × (12 − 5 )
= 1.07A
12 × 580k × 4.7μ
应该选择饱和电流值 ISAT 至少大于电感峰值电流
IL(peak) 并留足够裕量 (例如 10%) 的电感型号,确保
IL (peak ) = 2 +
芯片正常稳态工作时,电感不会饱和。
1.07
= 2.535A
2
由于芯片在上电启动、输出过流或负载跳变的条件
则选择 4.7µH 的电感时,需确保所选电感的饱和电
下,电感电流可能暂时升高到大于稳态工作时的峰
流和额定电流至少大于 2.535A。另外可以计算出
值电流值 IL(peak),此时更保守的选择是选择饱和电
考虑负载过流时的电感电流峰值为:
流值 ISAT 大于芯片限流 IL(max_peak) 的电感,从而保
证在任何情况下,电感都不会饱和,见如下公式。
IL (max_peak ) = 3.1 + 1.07 = 4.17A
IL (max_peak ) = ILS(OC) + ΔIL
则最保守的选择是确保所选电感的饱和电流大于
4.17A。
其中
输出电容选型
10.3
ILS(OC) 为芯片的谷底电流值
输出电容的选型关系到输出电压的纹波大小和负载
跳变时的电压响应性能。KP52220XA 考虑实际应
IL(max_peak) 为芯片在限流情况下的电感电流峰值
用陶瓷电容后采用优化后的 COT 控制架构,实现
考虑本实例输出电压为 5V,根据表 10-1 外围器件
超快的负载瞬态响应的同时保持芯片稳定工作。为
推荐表直接选择标称 4.7µH 的电感。则实际电感纹
达到最合适的瞬态响应性能,推荐输出电容和电感
的搭配选型参照表 10-1 外围器件推荐表:
表 10-1 外围器件推荐表
VOUT (V)
RFB(T) (kΩ)
RFB(B) (kΩ)
Lmin (µH)
Ltyp (µH)
Lmax (µH)
COUT(EFF) (µF)(1)
5.0
54.9
10
3.3
4.7
5.6
10 to 68
3.3
33.2
10
2.2
3.3
4.7
10 to 68
2.5
22.6
10
2.2
2.2
4.7
20 to 68
1.8
13.7
10
1.5
2.2
4.7
20 to 68
1.5
9.53
10
1.5
1.5
4.7
20 to 68
1.2
5.76
10
1.2
1.5
4.7
20 to 68
1.05
3.74
10
1.0
1.5
4.7
20 to 68
1
3.09
10
1.0
1.5
4.7
20 to 68
(1) COUT(EFF) 为总有效电容值。考虑到多层陶瓷电容 (MLCC) 实际有效电容值与偏置直流电压和尺寸有关,在输出电容选
型时,应考虑实际输出电压偏置时输出电容的有效电容,使其满足上表所示的容值范围,从而保证芯片稳定工作。
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KP522201A, KP522208A
4.5V 至 17V 输入、2A 输出、600kHz 同步降压转换器
输出电压纹波 VRIPPLE 主要由两部分组成。一部分
是由电感电流在输出电容的等效串联电阻 ESR 上
VIN (Ripple) ≈ D × IOUT ×
1- D
+ IOUT × ESR
CIN × fsw
产生的阻性纹波 VRIPPLE(ESR);另一部分是由电感纹
波电流对输出电容充放电产生的容性纹波
VRIPPLE(C)。计算公式如下:
VRIPPLE =
VRIPPLE (ESR ) + VRIPPLE (C )
2
其中 D =
VOUT
VIN
另外由于输入电容为脉冲不连续电流,所选的输入
2
电容必须能够承受较大的交流有效电流:
VRIPPLE (ESR ) = ΔIL × ESR
IIN(RMS) ≈ IOUT(MAX) ×
D(1 − D)
ΔIL
8 × C OUT × fsw
另外为了优化芯片的 EMI 性能和保证芯片的可靠稳
实际纹波可简单估算为:
荐另外再添加一个 0.1µF 的陶瓷电容 (0603/0402
VRIPPLE (C ) =
定运行,在使用陶瓷电容作为输入电容 CIN 外,推
封装) 尽可能近地放置在芯片的 VIN 和 GND 引脚
(
VRIPPLE > Max VRIPPLE (ESR ), VRIPPLE (C )
)
旁。需要注意的是,虽然陶瓷电容具有优良的高频
性能和稳定的使用寿命,但是在某些输入电压热插
VRIPPLE < VRIPPLE (ESR ) + VRIPPLE (C )
拔的使用场景下,实际 VIN 引脚上的电压可能会由
考虑本设计实例,根据表 10-1 外围器件推荐表选
择
颗
2
22µF/16V
的 陶 瓷 电 容
(C2012X5R1C226KT000E) 作为输出电容。在输
出电压 VOUT = 5V 的直流偏置情况下,实际总有效
的 电 容 值 为 14µF (7µFx2) , 实 际 等 效 ESR 为
0.8mΩ (1.6mΩ/2),可计算出输出纹波 VRIPPLE 如
于陶瓷电容的低 ESR 特性出现振荡,最恶劣时甚
至会振荡到 2 倍的 VIN 电压,从而过压击穿芯片。
此时,推荐在输入电压端额外并联加入一颗具有较
大 ESR 的电解电容或者在输入电压端添加一颗
TVS 二极管以限制输入过压的情况。
10.5
自举电容选型
下:
BST 引脚和 SW 引脚间需要加入一颗陶瓷电容以
VRIPPLE (ESR )
1.6m
= 1.07 ×
= 0.856mV
2
1.07
=
= 16.5mV
8 × 14μ × 580k
VRIPPLE (C )
VRIPPLE =
16.5 2 + 0.856 2 = 16.52mV
稳定支撑芯片内部高侧 N-MOSFET 的驱动电源。
此处推荐使用不低于 10V 耐压的 X5R 或者 X7R
的 0.1µF 陶瓷电容 (0603 封装)。
10.6
前馈电容选型
KP52220XA 采用 COT 控制架构可以实现超快的
负载瞬态响应性能。在某些对负载瞬态响应要求更
10.4
输入电容选型
高的应用条件下,还可以通过在输出反馈分压电阻
由于降压变换器的输入电流为脉冲不连续电流,推
荐在输入端使用陶瓷电容以提供脉冲输入电流从而
保持直流输入电压的稳定。陶瓷电容的输入电容上
的纹波可由以下公式计算得到:
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上添加前馈电阻 RFF 和电容 CFF 来进一步提升瞬态
响应性能。考虑到噪声耦合影响,推荐使用 RFF =
2 kΩ~10kΩ,另外不要使用高于 100pF 的 CFF。注
意,实际 RFF 和 CFF 为可选器件,推荐以实测负载
瞬态响应和输出调整率的结果优化选取。
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KP522201A, KP522208A
4.5V 至 17V 输入、2A 输出、600kHz 同步降压转换器
2. 功率回路 CIN →L→COUT →GND 的走线应该尽
VOUT
可能短和宽以减小回路压降,提高转换效率。
可选
RFB(T)
FB
KP52220XA
RFF
3. SW 节点的电压波形为高频方波,适当减小 SW
CFF
节点的铺铜可以改善 EMI 性能,另一方面适当
增大 SW 节点的铺铜可以优化散热性能,可根
RFB(B)
据实际情况适当折衷考虑。
GND
4. FB 引脚的走线尽可能远离噪声源,比如 SW 节
点和 BST 节点。
图 10-2 前馈电阻和电容配置
10.7
5. 输出电压 VOUT 的采样点靠近输出电容末端放
PCB 设计
置,且分压采样电阻靠近 FB 引脚放置。
PCB 设计对芯片的稳定可靠工作至关重要,请遵
循以下指南设计以获得最佳的电路工作性能:
6. VIN 和 GND 的走线和铺铜尽可能宽以帮助散
热。在多层板的 PCB 设计中,推荐为 GND 引
脚设置一个完整的 GND 层,并在 GND 层和芯
1. 输入陶瓷电容尽可能靠近 VIN 和 GND 引脚放
片层间增加足够多的过孔。
置。
具体 PCB 设计实例见下图:
基于EMI和热性能综合考虑,
SW节点的铺铜面积适中
芯片底部和附近的GND铺铜上添加散
热过孔到底层GND层,优化散热性能
功率回路CIN→L→COUT→GND的
走线足够短和宽以减小回路压降
输出电压V OUT的采样点靠近
输出电容末端放置
输入电容C1和旁路电容C2尽可能
靠近芯片VIN和GND引脚放置
FB引脚走线远离SW节点和
BST节点
输出电压的分压采样电阻靠
近FB引脚放置
输入和输出电容的GND端添
加足够多的过孔,帮助散热
同时降低功率回路阻抗
图 10-3 PCB 板设计实例
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KP522201A, KP522208A
4.5V 至 17V 输入、2A 输出、600kHz 同步降压转换器
10.8
典型应用电路原理图
本节主要列举 KP52220XA 的常见应用电路原理图,可作为参考设计使用。
KP52220XA
3
CAE
47µF
(可选)
VIN
GND
C1
C2
10µF 0.1µF
VIN
BST
EN
SW
GND
FB
R1
5
100k/悬空
1
6
2
C3
L1 4.7µH
0.1µF
C6
56pF
(可选)
4
5V/2A
R4
10k
(可选)
R2
54.9k
C4
22µF
R3
10k
GND
GND
C5
22µF
VOUT
GND GND
AGND
图 10-4 VIN = 12V, VOUT = 5V, IOUT = 2A
KP52220XA
3
CAE
47µF
(可选)
VIN
GND
C1
C2
10µF 0.1µF
VIN
BST
EN
SW
GND
FB
R1
5
100k/悬空
1
6
2
C3
L1 3.3µH
0.1µF
C6
56pF
(可选)
4
3.3V/2A
R4
10k
(可选)
R2
33.2k
C4
22µF
R3
10k
GND
GND
C5
22µF
VOUT
GND GND
AGND
图 10-5 VIN = 12V, VOUT = 3.3V, IOUT = 2A
KP52220XA
3
CAE
47µF
(可选)
VIN
GND
C1
C2
10µF 0.1µF
VIN
BST
EN
SW
GND
FB
R1
5
100k/悬空
1
6
2
C3
L1 2.2µH
0.1µF
C6
47pF
(可选)
4
2.5V/2A
R4
10k
(可选)
R2
22.6k
C4
22µF
R3
10k
GND
GND
C5
22µF
VOUT
GND GND
AGND
图 10-6 VIN = 12V, VOUT = 2.5V, IOUT = 2A
KP52220XA
3
CAE
47µF
(可选)
VIN
GND
C1
C2
10µF 0.1µF
VIN
BST
EN
SW
GND
FB
R1
5
100k/悬空
1
6
2
C3
L1 2.2µH
1.8V/2A
0.1µF
R2
13.7k
C5
22µF
VOUT
4
R3
10k
GND
GND
C4
22µF
GND GND
AGND
图 10-7 VIN = 12V, VOUT = 1.8V, IOUT = 2A
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KP522201A, KP522208A
4.5V 至 17V 输入、2A 输出、600kHz 同步降压转换器
KP52220XA
3
CAE
47µF
(可选)
VIN
GND
C1
C2
10µF 0.1µF
VIN
BST
EN
SW
GND
FB
R1
5
100k/悬空
1
6
2
C3
L1 1.5µH
1.5V/2A
0.1µF
R2
9.53k
C4
22µF
C5
22µF
VOUT
4
R3
10k
GND
GND
GND GND
AGND
图 10-8 VIN = 12V, VOUT = 1.5V, IOUT = 2A
KP52220XA
3
CAE
47µF
(可选)
VIN
GND
C1
C2
10µF 0.1µF
VIN
BST
EN
SW
GND
FB
R1
5
100k/悬空
1
6
2
C3
L1 1.5µH
1.2V/2A
0.1µF
R2
5.76k
C4
22µF
C5
22µF
VOUT
4
R3
10k
GND
GND
GND GND
AGND
图 10-9 VIN = 12V, VOUT = 1.2V, IOUT = 2A
KP52220XA
3
CAE
47µF
(可选)
VIN
GND
C1
C2
10µF 0.1µF
VIN
BST
EN
SW
GND
FB
R1
5
100k/悬空
1
6
2
C3
L1 1.5µH
1.05V/2A
0.1µF
R2
3.74k
C4
22µF
C5
22µF
VOUT
4
R3
10k
GND
GND
GND GND
AGND
图 10-10 VIN = 12V, VOUT = 1.05V, IOUT = 2A
KP52220XA
3
CAE
47µF
(可选)
VIN
GND
C1
C2
10µF 0.1µF
VIN
BST
EN
SW
GND
FB
R1
5
100k/悬空
1
6
2
C3
L1 1.5µH
1V/2A
0.1µF
R2
3.09k
C5
22µF
VOUT
4
R3
10k
GND
GND
C4
22µF
GND GND
AGND
图 10-11 VIN = 12V, VOUT = 1V, IOUT = 2A
DS_KP52220XA_REV1.0_CN
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17
KP522201A, KP522208A
4.5V 至 17V 输入、2A 输出、600kHz 同步降压转换器
10.9
典型工作特性
工作特性测试条件:VIN = 12V, VOUT = 5V, TA = 25℃ (除非另外说明)
100%
80%
Efficiency
Efficiency
90%
70%
60%
VIN = 9 V
VIN = 12V
VIN = 15V
50%
40%
0.001
0.01
0.1
Output Current (A)
1 2
图 10-12 KP522201A VOUT = 5V 效率
L = 4.7µH, DCR = 33mΩ
0.01
0.1
Output Current (A)
1 2
1.6%
0.4%
0.2%
0.0
-0.2%
-0.4%
VIN = 5V
VIN = 9V
VIN =12V
VIN = 15V
1.2%
Load Regulation
VIN = 9V
VIN = 12V
VIN = 15V
0.6%
Load Regulation
VIN = 5V
VIN = 9V
VIN = 12V
VIN = 15V
图 10-13 KP522201A VOUT = 1.05V 效率
L = 1.5µH, DCR = 12mΩ
0.8%
-0.6%
0.8%
0.4%
0.0
-0.4%
-0.8%
-1.2%
-0.8%
0.001
0.01
0.1
Output Current (A)
-1.6%
0.001
1 2
图 10-14 KP522201A 负载调整率 VOUT = 5V
0.20%
0.10%
0.00
-0.10%
-0.20%
-0.30%
-0.40%
6
8
10
12
14
Input Voltage (V)
图 10-16 KP522201A 输入调整率 VOUT = 5V
DS_KP52220XA_REV1.0_CN
16
Line Regulation
IOUT = 0.01A
IOUT = 1A
IOUT = 2A
0.30%
0.01
0.1
Output Current (A)
1 2
图 10-15 KP522201A 负载调整率 VOUT = 1.05V
0.40%
Line Regulation
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0
0.001
0.25%
0.20%
0.15%
0.10%
0.05%
0.00
-0.05%
-0.10%
-0.15%
-0.20%
-0.25%
IOUT = 0.01A
IOUT = 1A
IOUT = 2A
5
7
9
11
13
Input Voltage (V)
15
图 10-17 KP522201A 输入调整率 VOUT = 1.05V
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18
17
KP522201A, KP522208A
4.5V 至 17V 输入、2A 输出、600kHz 同步降压转换器
工作特性测试条件:VIN = 12V, VOUT = 5V, TA = 25℃ (除非另外说明)
图 10-18 热性能, VIN = 12V, VOUT = 5V, IOUT = 2A
图 10-19 热性能, VIN = 12V, VOUT = 1.05V, IOUT = 2A
图 10-20 输入电压纹波, IOUT = 2A
图 10-21 输出电压纹波, IOUT = 10mA
图 10-22 输出电压纹波, IOUT = 250mA
图 10-23 输出电压纹波, IOUT = 1A
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19
KP522201A, KP522208A
4.5V 至 17V 输入、2A 输出、600kHz 同步降压转换器
工作特性测试条件:VIN = 12V, VOUT = 5V, TA = 25℃ (除非另外说明)
图 10-24 输出电压纹波, IOUT = 2A
图 10-25 负载瞬态响应, IOUT = 0A-2A, 250mA/µs
图 10-26 负载瞬态响应
IOUT = 0.5A-1.5A, 250mA/µs
图 10-27 负载瞬态响应
IOUT = 1A-2A, 250mA/µs
图 10-28 VIN 上电启动
VIN = 12V, VOUT = 5V, IOUT = 2A
图 10-29 VIN 下电停止
VIN = 12V, VOUT = 5V, IOUT = 2A
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KP522201A, KP522208A
4.5V 至 17V 输入、2A 输出、600kHz 同步降压转换器
工作特性测试条件:VIN = 12V, VOUT = 5V, TA = 25℃ (除非另外说明)
图 10-30 EN 上电启动
VIN = 12V, VOUT = 5V, IOUT = 2A
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图 10-31 EN 下电停止
VIN = 12V, VOUT = 5V, IOUT = 2A
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KP522201A, KP522208A
4.5V 至 17V 输入、2A 输出、600kHz 同步降压转换器
11 封装尺寸
SOT23-6
L
0.25 Gauge Plane
b
a
5
4
B
L1
6
Pint Dot By Marking
1
2
F
3
c
E1
E
C
尺寸 (毫米)
尺寸 (英寸)
符号
最小
最大
最小
最大
L
2.820
3.020
0.111
0.119
B
1.500
1.700
0.059
0.067
C
0.900
1.300
0.035
0.051
L1
2.600
3.000
0.102
0.118
E
1.800
2.000
0.071
0.079
E1
0.850
1.050
0.033
0.041
a
0.350
0.500
0.014
0.020
c
0.100
0.200
0.004
0.008
b
0.350
0.550
0.014
0.022
F
0.000
0.150
0.000
0.006
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KP522201A, KP522208A
4.5V 至 17V 输入、2A 输出、600kHz 同步降压转换器
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