在系統(tǒng)中成功運(yùn)用DC-DC降壓調(diào)節(jié)器-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯在系統(tǒng)中成功運(yùn)用DC-DC降壓調(diào)節(jié)器-設(shè)計(jì)應(yīng)用智能手機(jī)、平板電腦、數(shù)碼相機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備和其它低功耗便攜式設(shè)備常常包含多個(gè)采用不同半導(dǎo)體工藝制造的集成電路。這些設(shè)備通常需要多個(gè)獨(dú)立的電源電壓，各電源電壓一般不同于電池或外部AC/DC電源提供的電壓。

圖1顯示了一個(gè)采用鋰離子電池供電的典型低功耗系統(tǒng)。電池的可用輸出范圍是3V到4.2V，而IC需要0.8V、1.8V、2.5V和2.8V電壓。為將電池電壓降至較低的直流電壓，一種簡(jiǎn)單的方法是運(yùn)用低壓差調(diào)節(jié)器（LDO）。不過(guò)，當(dāng)VIN遠(yuǎn)高于VOUT時(shí)，未輸送到負(fù)載的功率會(huì)以熱量形式損失，導(dǎo)致LDO效率低下。一種常見(jiàn)的替代方案是采用開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器，它將能量交替存儲(chǔ)在電感的磁場(chǎng)中，然后以不同的電壓釋放給負(fù)載。這種方案的損耗較低，是一種更好的選擇，可實(shí)現(xiàn)高效率運(yùn)行。本文介紹降壓型轉(zhuǎn)換器，它提供較低的輸出電壓。升壓型轉(zhuǎn)換器將另文介紹，它提供較高的輸出電壓。內(nèi)置FET作為開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器稱為開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，需要外部FET的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器則稱為開(kāi)關(guān)控制器。多數(shù)低功耗系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)用LDO和開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)成本和性能目標(biāo)。

圖1.典型低功耗便攜式系統(tǒng)

降壓調(diào)節(jié)器包括2個(gè)開(kāi)關(guān)、2個(gè)電容和1個(gè)電感，如圖2所示。非交疊開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)機(jī)制確保任一時(shí)間只有一個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，避免發(fā)生不良的電流“直通”現(xiàn)象。在第1階段，開(kāi)關(guān)B斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)A閉合。電感連接到VIN，因此電流從VIN流到負(fù)載。由于電感兩端為正電壓，因此電流增大。在第2階段，開(kāi)關(guān)A斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)B閉合。電感連接到地，因此電流從地流到負(fù)載。由于電感兩端為負(fù)電壓，因此電流減小，電感中存儲(chǔ)的能量釋放到負(fù)載中。

圖2.降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作波形

注意，開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器既可以連續(xù)工作，也可以斷續(xù)工作。連續(xù)導(dǎo)通以連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）工作時(shí)，電感電流不會(huì)降至0；以斷續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）工作時(shí)，電感電流可以降至0。低功耗降壓轉(zhuǎn)換器很少在斷續(xù)導(dǎo)通模式下工作。設(shè)計(jì)的，電流紋波（如圖2中的ΔI所示）通常為標(biāo)稱負(fù)載電流的20%到50%。

在圖3中，開(kāi)關(guān)A和開(kāi)關(guān)B分別利用PFET和NFET開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，構(gòu)成一個(gè)同步降壓調(diào)節(jié)器。“同步”一詞表示將一個(gè)FET用作低端開(kāi)關(guān)。用肖特基二極管代替低端開(kāi)關(guān)的降壓調(diào)節(jié)器稱為“異步”（或非同步）型。處理低功率時(shí)，同步降壓調(diào)節(jié)器更有效，因?yàn)镕ET的壓降低于肖特基二極管。然而，當(dāng)電感電流達(dá)到0時(shí)，如果底部FET未釋放，同步轉(zhuǎn)換器的輕載效率會(huì)降低，而且額外的控制電路會(huì)提高IC的復(fù)雜性和成本。

圖3.降壓調(diào)節(jié)器集成振蕩器、PWM控制環(huán)路和開(kāi)關(guān)FET

目前的低功耗同步降壓調(diào)節(jié)器以脈寬調(diào)制（PWM）為主要工作模式。PWM保持頻率不變，通過(guò)改變脈沖寬度（tON）來(lái)調(diào)整輸出電壓。輸送的平均功率與占空比D成正比，因此這是一種向負(fù)載提高功率的有效方式。

FET開(kāi)關(guān)由脈寬控制器控制，后者響應(yīng)負(fù)載變化，利用控制環(huán)路中的電壓或電流反饋來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。低功耗降壓轉(zhuǎn)換器的工作頻率范圍一般是1MHz到6MHz。開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，所用的電感可以更小，但開(kāi)關(guān)頻率每增加一倍，效率就會(huì)降低大約2%。

在輕載下，PWM工作模式并不總是能夠提高系統(tǒng)效率。以圖形卡電源電路為例，視頻內(nèi)容改變時(shí)，驅(qū)動(dòng)圖形處理器的降壓轉(zhuǎn)換器的負(fù)載電流也會(huì)改變。連續(xù)PWM工作模式可以處理寬范圍的負(fù)載電流，但在輕載下，調(diào)節(jié)器所需的功率會(huì)占去輸送給負(fù)載的總功率的較大比例，導(dǎo)致系統(tǒng)效率迅速降低。針對(duì)便攜應(yīng)用，降壓調(diào)節(jié)器集成了其它省電技術(shù)，如脈沖頻率調(diào)制（PFM）、脈沖跳躍或這兩者的結(jié)合等。

ADI公司將高效率輕載工作模式定義為“省電模式”（PSM）。進(jìn)入省電模式時(shí)，PWM調(diào)節(jié)電平會(huì)產(chǎn)生偏移，導(dǎo)致輸出電壓上升，直至它達(dá)到比PWM調(diào)節(jié)電平高約1.5%的電平，此時(shí)PWM工作模式關(guān)閉，兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)均斷開(kāi)，器件進(jìn)入空閑模式。COUT可以放電，直到VOUT降至PWM調(diào)節(jié)電壓。然后，器件驅(qū)動(dòng)電感，導(dǎo)致VOUT再次上升到閾值上限。只要負(fù)載電流低于省電模式電流閾值，此過(guò)程就會(huì)重復(fù)進(jìn)行。

ADP2138是一款緊湊型800mA、3MHz、降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。圖4所示為典型應(yīng)用電路。圖5顯示了強(qiáng)制PWM工作模式下和自動(dòng)PWM/PSM工作模式下的效率改善情況。由于頻率存在變化，PSM干擾可能難以濾除，因此許多降壓調(diào)節(jié)器提供一個(gè)MODE引腳（如圖4所示），用戶可以通過(guò)該引腳強(qiáng)制器件以連續(xù)PWM模式工作，或者允許器件以自動(dòng)PWM/PSM模式工作。MODE引腳既可以通過(guò)硬連線來(lái)設(shè)置任一工作模式，也可以根據(jù)需要而動(dòng)態(tài)切換，以達(dá)到省電目的。

圖4.ADP2138/ADP2139典型應(yīng)用電路

圖5.ADP2138的效率：（a）連續(xù)PWM模式；（b）PSM模式

降壓調(diào)節(jié)器提高效率

電池的續(xù)航時(shí)間是新型便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)高度關(guān)注的一個(gè)特性。提高系統(tǒng)效率可以延長(zhǎng)電池工作時(shí)間，降低更換或充電的頻度。例如，一個(gè)鋰離子充電電池可以使用ADP125LDO以0.8V電壓驅(qū)動(dòng)一個(gè)500mA負(fù)載，如圖6所示。該LDO的效率只有19%（VOUT/VIN×100%=0.8/4.2×100%）。LDO無(wú)法存儲(chǔ)未使用的能量，因此剩余的81%的功率（1.7W）只能以熱量形式在LDO內(nèi)部耗散掉，這可能會(huì)導(dǎo)致手持式設(shè)備的溫度迅速上升。如果使用ADP2138開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，在4.2V輸入和0.8V輸出下，工作效率將是82%，比前一方案的效率高出4倍多，便攜式設(shè)備的溫度升幅將大大減小。這些系統(tǒng)效率的大幅改善使得開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器大量運(yùn)用于便攜式設(shè)備。

降壓轉(zhuǎn)換器關(guān)鍵規(guī)格和定義

輸入電壓范圍：降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍決定了的可用輸入電源電壓。規(guī)格可能提供很寬的輸入電壓范圍，但VIN必須高于VOUT才能實(shí)現(xiàn)高效率工作。例如，要獲得穩(wěn)定的3.3V輸出電壓，輸入電壓必須高于3.8V。

地電流或靜態(tài)電流：IQ是未輸送給負(fù)載的直流偏置電流。器件的IQ越低，則效率越高。然而，IQ可以針對(duì)許多條件進(jìn)行規(guī)定，包括關(guān)斷、零負(fù)載、PFM工作模式或PWM工作模式。因此，為了確定某個(gè)應(yīng)用的降壓調(diào)節(jié)器，查看特定工作電壓和負(fù)載電流下的實(shí)際工作效率數(shù)據(jù)。

關(guān)斷電流：這是使能引腳禁用時(shí)器件消耗的輸入電流，對(duì)低功耗降壓調(diào)節(jié)器來(lái)說(shuō)通常遠(yuǎn)低于1?A。這一指標(biāo)對(duì)于便攜式設(shè)備處于睡眠模式時(shí)電池能否具有長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間很重要。

輸出電壓精度：ADI公司的降壓轉(zhuǎn)換器具有很高的輸出電壓精度，固定輸出器件在工廠制造時(shí)就被調(diào)整到±2%之內(nèi)（25°C）。輸出電壓精度在工作溫度、輸入電壓和負(fù)載電流范圍條件下加以規(guī)定，差情況下的不性規(guī)定為±x%。

線路調(diào)整率：線路調(diào)整率是指額定負(fù)載下輸出電壓隨輸入電壓變化而發(fā)生的變化率。

負(fù)載調(diào)整率：負(fù)載調(diào)整率是指輸出電壓隨輸出電流變化而發(fā)生的變化率。對(duì)于緩慢變化的負(fù)載電流，大多數(shù)降壓調(diào)節(jié)器都能保持輸出電壓基本上恒定不變。

負(fù)載瞬變：如果負(fù)載電流從較低水平快速變化到較高水平，導(dǎo)致工作模式在PFM與PWM之間切換，或者從PWM切換到PFM，就可能產(chǎn)生瞬態(tài)誤差。并非所有數(shù)據(jù)手冊(cè)都會(huì)規(guī)定負(fù)載瞬變，但大多數(shù)數(shù)據(jù)手冊(cè)都會(huì)提供不同工作條件下的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)曲線。

限流：ADP2138等降壓調(diào)節(jié)器內(nèi)置保護(hù)電路，限制流經(jīng)PFET開(kāi)關(guān)和同步整流器的正向電流。正電流控制限制可從輸入端流向輸出端的電流量。負(fù)電流限值防止電感電流反向并流出負(fù)載。

軟啟動(dòng)：內(nèi)部軟啟動(dòng)功能對(duì)于降壓調(diào)節(jié)器非常重要，它在啟動(dòng)時(shí)控制輸出電壓緩升，從而限制浪涌電流。這樣，當(dāng)電池或高阻抗電源連接到轉(zhuǎn)換器輸入端時(shí)，可以防止輸入電壓下降。器件使能后，內(nèi)部電路開(kāi)始上電周期。

啟動(dòng)時(shí)間是指使能信號(hào)的上升沿至VOUT達(dá)到其標(biāo)稱值的90%的時(shí)間。這個(gè)測(cè)試通常是在施加VIN、使能引腳從斷開(kāi)切換到接通的條件下進(jìn)行。在使能引腳連接到VIN的情況下，當(dāng)VIN從關(guān)斷切換到開(kāi)啟時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間可能會(huì)大幅增加，因?yàn)榭刂骗h(huán)路需要一定的穩(wěn)定時(shí)間。在調(diào)節(jié)器需要頻繁啟動(dòng)和關(guān)閉以節(jié)省功耗的便攜式系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的啟動(dòng)時(shí)間是一個(gè)重要的考慮因素。

熱關(guān)斷（TSD）：當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度超過(guò)規(guī)定的限值時(shí)，熱關(guān)斷電路就會(huì)關(guān)閉調(diào)節(jié)器。極端的結(jié)溫可能由工作電流高、電路板冷卻不佳或環(huán)境溫度高等原因引起。保護(hù)電路包括一定的遲滯，防止器件在芯片溫度降至預(yù)設(shè)限值以下之前返回正常工作狀態(tài)。

100%占空比工作：隨著VIN下降或ILOAD上升，降壓調(diào)節(jié)器會(huì)達(dá)到一個(gè)限值：即使PFET開(kāi)關(guān)以100%占空比導(dǎo)通，VOUT仍低于預(yù)期的輸出電壓。此時(shí)，ADP2138平滑過(guò)渡到可使PFET開(kāi)關(guān)保持100%占空比導(dǎo)通的模式。當(dāng)輸入條件改變時(shí)，器件立即重新啟動(dòng)PWM調(diào)節(jié)，VOUT不會(huì)過(guò)沖。

放電開(kāi)關(guān)：在某些系統(tǒng)中，如果負(fù)載非常小，降壓調(diào)節(jié)器的輸出可能會(huì)在系統(tǒng)進(jìn)入睡眠模式后的一定時(shí)間內(nèi)仍然保持較高水平。然而，如果系統(tǒng)在輸出電壓放電之前啟動(dòng)上電序列，系統(tǒng)可能會(huì)發(fā)生閂鎖，或者導(dǎo)致器件受損。當(dāng)使能引腳變?yōu)榈碗娖交蚱骷M(jìn)入欠壓閉鎖/熱關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，ADP2139降壓調(diào)節(jié)器通過(guò)集成的開(kāi)關(guān)電阻（典型值100Ω）給輸出放電。

欠壓閉鎖：欠壓閉鎖（UVLO）可以確保只有在系統(tǒng)輸入電壓高于規(guī)定閾值時(shí)才向負(fù)載輸出電壓。UVLO很重要，因?yàn)樗辉谳斎腚妷哼_(dá)到或超過(guò)器件穩(wěn)定工作要求的電壓時(shí)才讓器件上電。

結(jié)束語(yǔ)

低功耗降壓調(diào)節(jié)器使開(kāi)關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)不再神秘。ADI公司提供一系列高集成度、堅(jiān)固耐用、易于使用、高性價(jià)比的降壓調(diào)節(jié)器，只需極少的外部元件就能實(shí)現(xiàn)高工作效率。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以使用數(shù)據(jù)手冊(cè)應(yīng)用部分提供的設(shè)計(jì)計(jì)算，或者使用ADIsimPowerTM設(shè)計(jì)工具。

附錄

3MHz同步降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)800mA負(fù)載

TheADP2138和ADP2139降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器針對(duì)無(wú)線手機(jī)、個(gè)人媒體播放器、數(shù)碼相機(jī)和其它便攜式設(shè)備應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。二者既可以在強(qiáng)制脈沖寬度（PWM）模式下工作，以獲得的紋波，也可以在PWM模式與省電模式之間自動(dòng)切換，以便在輕負(fù)載下獲得效率。2.3V至5.5V輸入范圍支持使用