SGM3111：3.3V Buck/Boost Charge Pump DC/DC Converter的深度解析

在电子设计领域，电源管理芯片的性能直接影响着整个系统的稳定性和效率。今天，我们就来详细探讨一下SGMICRO推出的SGM3111——一款3.3V Buck/Boost Charge Pump DC/DC转换器。

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一、产品概述

SGM3111是一款功能强大的Buck/Boost电荷泵DC/DC转换器，它能够在1.8V至5.5V的输入电源电压范围内提供稳定的3.3V固定输出电压。当输入电压比输出电压低约100mV时，芯片会平滑地切换到升压（Boost）模式；而当输入电压高于稳压输出电压时，芯片则进入降压（Buck）模式。这种自动模式切换的特性，使得SGM3111能够适应不同的输入电压条件，为各种应用提供稳定的电源。

此外，SGM3111还具备软启动电路，可限制启动时的浪涌电流；电流限制电路和热关断功能则让设备能够承受输出对地的持续短路。在无负载运行时，其低工作电流（典型值为60µA）和超低关断工作电流（<0.6µA），大大提高了设备的电源效率。该芯片的应用仅需三个小封装尺寸的陶瓷电容，并且采用了绿色TDFN - 2×2 - 6FL封装，非常适合空间有限的应用场景。

二、产品特性

2.1 输入输出特性

• 输入电源电压范围：1.8V至5.5V，广泛适用于各种电源输入场景。
• 固定3.3V输出：为负载提供稳定的电源电压。
• 最大输出电流：可达150mA，能够满足大多数低功耗设备的供电需求。

2.2 工作模式特性

• 模式自动切换：根据输入电压与输出电压的关系，自动在Buck和Boost模式之间切换，无需人工干预。
• Boost模式下的开关频率：1.2MHz的恒定开关频率，有助于减少电磁干扰。
• Buck模式下的工作方式：可作为低压差线性稳压器进行降压操作。

2.3 低功耗特性

• 无负载静态电流：典型值为60µA，降低了系统在待机状态下的功耗。
• 超低关断电流：小于0.6µA，进一步节省了能源。

2.4 保护特性

• 软启动电路：限制启动时的浪涌电流，保护设备免受电流冲击。
• 输入与负载断开：在关断状态下，输入与负载断开，提高了系统的安全性。
• 短路保护：能够承受输出对地的持续短路，增强了设备的可靠性。
• 热关断：当芯片温度过高时，自动关断电路，防止芯片损坏。

三、应用场景

SGM3111适用于多种应用场景，特别是在需要将2 - 3节AA电池或锂离子电池的电压转换为3.3V的场合。它可以为各种手持产品中的低功耗设备提供电源，如I/O电源、相机、音频设备、各种PC卡、逻辑电路等。下面是一个典型的应用电路示例：

在这个电路中，输入电压范围为2.7V至4.5V，通过SGM3111可以输出3.3V/150mA的稳定电源。

四、引脚配置与功能

4.1 引脚配置

SGM3111采用TDFN - 2×2 - 6FL封装，其引脚配置如下：	引脚编号	引脚名称	功能
1	GND	接地引脚，需连接到PCB板的接地层。
2	VIN	输入电源引脚，需在该引脚附近连接至少1uF的小封装陶瓷电容。
3	VOUT	稳压输出电压引脚，需在该引脚旁边放置至少4.7uF的小封装陶瓷电容进行去耦。
4	C+	飞跨电容的正极端。
5	C-	飞跨电容的负极端。
6	nSHDN	低电平有效关断输入引脚，将该引脚连接到GND可关断SGM3111。该引脚为CMOS高阻抗输入，必须由有效电平驱动，不能悬空。
外露焊盘	GND	接地，外露焊盘需连接到PCB接地，以形成接地回路并将芯片的热量传递到PCB的铜层。

4.2 引脚功能说明

在实际应用中，正确连接各个引脚是确保SGM3111正常工作的关键。例如，VIN引脚的电容选择会影响输入电压的稳定性，而VOUT引脚的电容则对输出电压的纹波有重要影响。在设计电路时，我们需要根据具体的应用需求和电路参数，合理选择电容的类型和容量。

五、电气特性

SGM3111的电气特性在不同的工作条件下有所不同。下面是一些主要的电气参数：

5.1 输入输出电压范围

• 输入电压范围：1.8V至5.5V。
• 输出电压范围：在不同的输入电压和负载电流条件下，输出电压能够保持在3.168V至3.432V之间，确保了输出电压的稳定性。

5.2 电流参数

• 无负载输入电流：在不同的输入电压和输出电压条件下，无负载输入电流在几十微安到上百微安之间变化。
• 关断电流：典型值小于0.6µA，在关断状态下几乎不消耗电能。

5.3 效率

在不同的输入电压和输出电流条件下，SGM3111的效率有所不同。例如，当VIN = 2.5V，IOUT = 100mA时，效率约为65%；当VIN = 3.7V，IOUT = 100mA时，效率可达89%。

5.4 其他参数

还包括nSHDN输入的高低电压、输入电流、输出电流限制、输出电压开启时间、升压模式下的相关参数等。这些参数对于我们理解芯片的工作特性和进行电路设计都非常重要。

六、详细工作原理

6.1 模式切换原理

SGM3111的模式切换是根据输入电压与输出电压的关系自动进行的。当输入电压比输出电压高约100mV时，芯片工作在LDO（低压差线性稳压器）状态；一旦输入电压下降到比输出电压高不到100mV时，设备会自动切换到电荷泵模式，将输出电压提升到所需的水平。这种模式切换是通过内部的比较器和控制电路实现的，确保了在不同输入电压条件下都能提供稳定的输出电压。

6.2 电荷泵工作原理

在电荷泵模式下，一个非重叠的两相时钟会控制电荷泵开关。在时钟的第一阶段，飞跨电容从输入电压充电；在时钟的第二阶段，飞跨电容与VIN串联并连接到输出电容。飞跨电容的充电和放电序列会以1.2MHz（典型值）的开关频率持续运行，从而实现电压的提升。

6.3 关断模式

在使能关断模式下，所有电路停止工作，芯片仅消耗来自VIN引脚的泄漏电流。同时，输入和输出电压完全断开，确保了在不使用时设备的低功耗。

6.4 突发模式操作

当芯片在电荷泵模式下轻载运行时，可以进入自动突发模式操作，从而提高转换器的效率。当负载电流低于内部设定的阈值时，芯片会自动进入突发模式，进入睡眠状态并关闭内部时钟，以减少开关损耗。在这种低功耗状态下，设备仅从VIN消耗60µA的电流。当输出电压下降到比较器设定的阈值以下时，芯片会重新以正常工作频率运行，继续为输出电容提供能量。

6.5 软启动

SGM3111在启动时采用软启动模式，可减少浪涌电流。软启动电路通过内部设置实现，使输出电容的负载能力在约0.5ms内从0mA提升到300mA。在热关断或掉电时，电路会复位。

6.6 短路保护和热关断

SGM3111集成了过温保护和短路电流限制功能。当发生短路时，设备会自动将输出电流限制在约300mA。一旦结温（TJ）超过约+160℃，热关断电路会停止芯片的输出电流；当TJ下降到约+150℃以下时，设备会恢复运行。在使用过程中，应避免长时间处于过热环境，以免影响设备的使用寿命和性能。

七、应用设计要点

7.1 电源效率计算

在不同的工作模式下，SGM3111的电源效率计算方法不同。在LDO状态下，效率（η）可以通过公式η = VOUT / VIN计算；在电荷泵状态下，效率的计算则需要考虑电压倍增的因素，公式为η = VOUT / (2VIN)。在实际应用中，我们可以根据具体的输入输出参数，选择合适的公式来计算效率，从而评估芯片的性能。

7.2 有效开环输出电阻

有效开环输出电阻（ROL）是衡量电荷泵强度的一个重要参数。其值受到多种因素的影响，如飞跨电容（CFLY）、振荡器频率（fosc）、外部电容的ESR和内部开关电阻（RS）、非重叠时间等。可以通过公式ROL ≅ 2∑RS + 1 / (fosc × CFLY)进行一阶近似计算。在设计电路时，我们需要根据实际需求合理选择飞跨电容和其他参数，以确保电荷泵的性能。

7.3 输入和输出电容选择

输入和输出电容的选择对于SGM3111的性能至关重要。建议在CIN和Cout上连接低ESR（<0.1Ω）的陶瓷电容，以提高纹波和噪声免疫力。CIN的实际电容值应至少为1µF，Cout的实际电容值应至少为4.7µF。不建议使用铝或钽电容，因为它们的ESR较高。在电荷泵状态下，Cout的大小直接决定了相应输出电流的纹波大小，较大的Cout会降低输出纹波，但也会增加最小启动时间。可以使用公式VRIPPLE(P - P) = IOUT / (2fosc × Cout)近似计算输出纹波的峰峰值。

7.4 飞跨电容选择

飞跨电容必须使用非极化电容（如陶瓷电容），因为在芯片启动时，极化电容会承受反向电压。建议使用至少1µF的陶瓷电容作为飞跨电容。在特定的输出电压和输入电压条件下，当需要额定电流为40mA时，应选择大于0.5µF的飞跨电容。在轻负载条件下，可以适当减小飞跨电容的值，以节省空间和成本。

7.5 热管理

当SGM3111在较大输出电流和较高输入电压的条件下使用时，芯片可能会消耗更多的功率。当芯片的结温超过约+160℃时，热关断电路会停止芯片的输出电流。为了更好地散热，建议芯片与电路板的铜层良好接触。将TDFN封装的外露焊盘和GND（引脚1）一起连接到电路板下方的接地平面，可以有效降低PCB板与封装之间的热阻。

7.6 布局指南

由于该芯片具有较高的瞬态电流和开关频率，合理的电路板布局对于实现卓越的性能至关重要。应设置一个真正的接地平面，并将所有电容的接地尽可能短地连接到GND，以优化性能和正确调节电压。

八、总结

SGM3111作为一款高性能的3.3V Buck/Boost Charge Pump DC/DC转换器，具有自动模式切换、低功耗、高稳定性等诸多优点。在实际应用中，我们需要根据具体的需求合理选择电容、进行热管理和电路板布局，以充分发挥其性能优势。同时，我们也要注意一些设计要点，如避免使用极化电容、注意热关断保护等，以确保设备的可靠性和稳定性。希望通过本文的介绍，能够帮助电子工程师更好地了解和应用SGM3111芯片。你在使用SGM3111的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区留言分享。