ST AN2829 Application note

ST AN2829 Application note

AN2829

Application note

Dual step-down controller with auxilary voltages for notebook system power

Introduction

The PM6681A is a dual step-down controller with adjustable output voltages that can be used in notebook power systems. This demonstration board represents a typical application circuit. The PM6681A demonstration board allows testing of all functions of the device and provides two switching sections, with (typ.) 1.5 V (OUT1) and 1.05 V (OUT2) outputs from 5.5 V to 28 V input battery voltage. The typical operating switching frequency of the two sections is 200 kHz/300 kHz, respectively. Each switching section delivers more than 5 A of output current. An internal linear regulator provides a fixed 5 V output voltage. Another internal linear regulator provides an adjustable output voltage (default 3.3 V). Both linear regulators can deliver up to 100 mA peak current.

Figure 1. PM6681A demonstration board

AM01407v1

February 2009

Rev 1

1/32

www.st.com

Contents

AN2829

 

 

Contents

1

Main features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 4

2

Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

3

Demonstration board schematic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

4

Component list . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

5

Demonstration board layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

6

I/O interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

7

Recommended equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

8

Quick start . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

9

Jumper settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

10

Feedback output connections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

11

Test setup and performance summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

 

11.1

Test setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

 

11.2

Power-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

 

11.3

Soft-start and shutdown waveforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

 

11.4

1.5 V and 1.05 output efficiency vs. load current . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

 

11.5

Power consumption analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

 

11.6

Switching frequency vs. load current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

 

11.7

Linear regulator output voltages vs. output current . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

 

11.8

Load transient response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

12

Representative waveforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

13

Revision history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

2/32

AN2829

List of figures

 

 

List of figures

Figure 1. PM6681A demonstration board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Figure 2. Demonstration board schematic diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Figure 3. PM6681A demonstration board layout - top layer (PGND plane and component side) . . . 10 Figure 4. PM6681A demonstration board layout - inner layer 1 (SGND layer and VIN plane) . . . . . 10 Figure 5. PM6681A demonstration board layout - inner layer 2 (SGND layer and signals). . . . . . . . 11 Figure 6. PM6681A demonstration board layout - bottom layer (PM6681A and component side) . . 11 Figure 7. Setup connections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Figure 8. REF, LDO5 and LDO power-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Figure 9. Section 1 soft-start waveforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Figure 10. Section 2 soft-start waveforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Figure 11. Section 1 shutdown waveforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Figure 12. Section 2 shutdown waveforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Figure 13. 1.5 V SMPS efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Figure 14. 1.05 V SMPS efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Figure 15. Input current vs. input voltage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Figure 16. Input current vs. input voltage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Figure 17. Input current vs. input voltage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Figure 18. Device current consumption vs. input voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Figure 19. Device current consumption vs. input voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Figure 20. 1.5 V output switching frequency vs. load current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Figure 21. 1.05 V output switching frequency vs. load current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Figure 22. LDO5 output vs. load current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Figure 23. ADJ_LDO load regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Figure 24. SMPS 1.5 V load transient response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Figure 25. SMPS 1.05 V load transient response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Figure 26. SMPS pulse skip mode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Figure 27. SMPS no-audible skip mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Figure 28. SMPS PWM mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3/32

Main features

AN2829

 

 

1Main features

5.5 V to 36 V input voltage range

Adjustable output voltages

0.9-3.3 V adjustable LDO delivers 100 mA peak current

5 V LDO delivers 100 mA peak current

1.237 V ±1% reference voltage available

Lossless current sensing using low side MOSFET RDS(on)

Negative current limit

Soft-start internally fixed at 2 ms

Soft output discharge

Latched UVP

Non-latched OVP

Selectable pulse skipping at light loads

Selectable minimum frequency (33 kHz) in pulse skip mode

4 mW maximum quiescent power

Independent Power Good signals

Output voltage ripple compensation.

4/32

AN2829

Applications

 

 

2Applications

Notebook, tablet and slate computers

Mobile system power supplies

3-4 cell Li+ battery-powered devices

5/32

Demonstration board schematic

AN2829

 

 

3 Demonstration board schematic

Figure 2. Demonstration board schematic diagram

AM01408v1

6/32

AN2829

Component list

 

 

4 Component list

Table 1.

Bill of materials

 

 

 

 

Qty

Component

Description

Package

Part number

MFR

Value

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

C1:C3

Ceramic

1812

UMK325BJ106KM-T

Taiyo-Yuden

10 µF - 50 V

 

capacitor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

C4

Ceramic

1812

NM

 

10 µF - 50

 

capacitor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

C5, C6

Ceramic

0805

 

 

100 nF - 50 V

 

capacitor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

C19

Ceramic

0805

 

 

100 nF - 50 V

 

capacitor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

C7

POSCAP

7343

NM

Sanyo

 

 

capacitor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

C9, C10

Ceramic

0805

NM

 

 

 

capacitor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

C11

POSCAP

7343

NM

Sanyo

 

 

capacitor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

C8

POSCAP

7343

6TPB330M

Sanyo

330 µF -

 

capacitor

12 mR - 6 V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

C12

POSCAP

7343

6TPB330M

Sanyo

330 µF -

 

capacitor

12 mR - 6 V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

C13, C14

Ceramic

0603

 

 

5.6 nF - 50 V

 

capacitor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

C15, C16

Ceramic

0603

 

 

1 nF - 50 V

 

capacitor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

C17, C18

Ceramic

0603

 

 

47 pF - 50 V

 

capacitor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

C20

Ceramic

0805

 

 

1 µF - 10 V

 

capacitor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

C21

Tantalum

3216

 

 

4.7 µF - 16 V

 

capacitor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

C22

Ceramic

0805

 

 

220 nF - 10 V

 

capacitor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

C23

Ceramic

0805

 

 

10 pF

 

capacitor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

CIN

Electrolytic

D=10 mm

NM

 

 

 

capacitor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

CREF

Ceramic

0805

 

 

100 nF - 50 V

 

capacitor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

C26

Tantalum

6032

 

 

4.7 µF - 35 V

 

capacitor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7/32

Component list

 

 

 

 

AN2829

 

 

 

 

 

 

 

 

Table 1.

Bill of materials (continued)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Qty

Component

Description

Package

Part number

MFR

Value

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

C24, C25

Tantalum

0805

 

 

10 µF - 6.3 V

 

capacitor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

C27

Tantalum

0805

 

 

10 µF - 6.3 V

 

capacitor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

C28

Tantalum

3216

 

 

4.7 µF - 16 V

 

capacitor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

D1

Dual schottky

SOT23

BAT54A

STMicroelectronics

 

 

diode

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

D2, D3

Diode 1 A -

DO216AA

STPS1L30M

STMicroelectronics

 

 

30 V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

IC1

PM6681A

QFN-32

PM6681A

STMicroelectronics

 

 

device

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

L1

Inductor

13 mm x

MLC1538-152ML

Coilcraft

1.5 µH - 12 A

 

13 mm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

L2

Inductor

13 mm x

MLC1515-252ML

Coilcraf

2.5 µH - 8 A

 

13 mm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

M1:M4

MOSFET

SO-8

STS12NH3LL

 

 

 

control FET

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

R3

Resistor

0805

 

 

22 kΩ - 1%

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

R4

Resistor

0805

 

 

36 kΩ - 1%

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

R5

Resistor

0805

 

 

3.3 kΩ - 1%

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

R6

Resistor

0805

 

 

3 kΩ - 1%

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

R7, R8

Resistor

0805

 

 

680 Ω - 1%

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

R9

Resistor

0805

 

 

47 Ω - 1%

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

R10, R11

Resistor

0805

 

 

10 Ω - 1%

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

R12:R15

Resistor

0805

 

 

100 kΩ - 1%

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

R16

Resistor

0805

 

 

150 kΩ - 1%

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

R17

Resistor

0805

 

 

560 kΩ - 1%

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

R18, R19

Resistor

0805

NM

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

R20, R21,

Resistor

0805

 

 

0 Ω - 1%

 

R22, R23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

R24

Resistor

0805

 

 

1.1 kΩ - 1%

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

R25

Resistor

0805

 

 

820 Ω - 1%

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

R26

Resistor

1206

 

 

3.9 Ω - 1%

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

R27

Resistor

0805

 

 

10 kΩ - 1%

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

R29

Resistor

0805

 

 

11 kΩ - 1%

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

R28

Resistor

0805

 

 

6.8 kΩ - 1%

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

R30

Resistor

0805

 

 

1.8 kΩ - 1%

 

 

 

 

 

 

 

 

8/32

AN2829

 

 

 

 

 

Component list

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Table 1.

Bill of materials (continued)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Qty

Component

Description

Package

Part number

MFR

 

Value

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

R31

Resistor

0603

 

 

 

5.6 kΩ - 1%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

R32

Resistor

0603

 

 

 

15 kΩ - 1%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

RLD5V,

Resistor

0805

NM

 

 

 

 

RLD3V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9/32

Demonstration board layout

AN2829

 

 

5 Demonstration board layout

Figure 3. PM6681A demonstration board layout - top layer (PGND plane and component side)

AM01409v1

Figure 4. PM6681A demonstration board layout - inner layer 1 (SGND layer and VIN plane)

AM01410v1

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