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第45卷

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在系统中成功运用 DC-DC降压 调节器

作者: Ken Marasco

智能手机、平板电脑、数码相机、导航系统、医疗设备和其 它低功耗便携式设备常常包含多个采用不同半导体工艺制造 的集成电路。这些设备通常需要多个独立的电源电压,各电 源电压一般不同于电池或外部 AC/DC电源提供的电压。

图 1 显示了一个采用锂离子电池供电的典型低功耗系统。电 池的可用输出范围是 3 V到 4.2V,而IC需要 0.8 V、1.8 V、 2.5 V和 2.8 V电压。为将电池电压降至较低的直流电压,一种 简单的方法是运用低压差调节器(LDO)。不过,当VIN远高于 VOUT时,未输送到负载的功率会以热量形式损失,导致LDO 效率低下。一种常见的替代方案是采用开关转换器,它将能 量交替存储在电感的磁场中,然后以不同的电压释放给负 载。这种方案的损耗较低,是一种更好的选择,可实现高效 率运行。本文介绍降压型转换器,它提供较低的输出电压。 升压型转换器将另文介绍,它提供较高的输出电压。内置 FET作为开关的开关转换器称为开关调节器,需要外部FET的 开关转换器则称为开关控制器。多数低功耗系统同时运用 LDO和开关转换器来实现成本和性能目标。

图 1. 典型低功耗便携式系统

降压调节器包括 2 个开关、2 个电容和 1 个电感,如图 2 所 示。非交叠开关驱动机制确保任一时间只有一个开关导通, 避免发生不良的电流“直通”现象。在第 1 阶段,开关B断开, 开关A闭合。电感连接到VIN,因此电流从VIN流到负载。由于 电感两端为正电压,因此电流增大。在第 2 阶段,开关A断 开,开关B闭合。电感连接到地,因此电流从地流到负载。由 于电感两端为负电压,因此电流减小,电感中存储的能量释 放到负载中。

图 2. 降压转换器拓扑结构和工作波形

注意,开关调节器既可以连续工作,也可以断续工作。连续 导通以连续导通模式(CCM)工作时,电感电流不会降至 0;以 断续导通模式(DCM)工作时,电感电流可以降至 0。低功耗降 压转换器很少在断续导通模式下工作。设计的,电流纹波(如 图 2中的ΔI 所示)通常为标称负载电流的 20%到 50%。

在图 3 中,开关 A 和开关 B 分别利用 PFET 和 NFET 开关实 现,构成一个同步降压调节器。“同步”一词表示将一个 FET 用作低端开关。用肖特基二极管代替低端开关的降压调 节器称为“异步”(或非同步)型。处理低功率时,同步降 压调节器更有效,因为 FET 的压降低于肖特基二极管。然 而,当电感电流达到 0 时,如果底部 FET 未释放,同步转换 器的轻载效率会降低,而且额外的控制电路会提高 IC 的复杂 性和成本。

图 3. 降压调节器集成振荡器、PWM控制环路和开关 FET

目前的低功耗同步降压调节器以脉宽调制(PWM)为主要工作 模式。PWM保持频率不变,通过改变脉冲宽度(tON)来调整输 出电压。输送的平均功率与占空比D成正比,因此这是一种向 负载提高功率的有效方式。

FET 开关由脉宽控制器控制,后者响应负载变化,利用控制 环路中的电压或电流反馈来调节输出电压。低功耗降压转换 器的工作频率范围一般是 1 MHz 到 6 MHz。开关频率较高 时,所用的电感可以更小,但开关频率每增加一倍,效率就 会降低大约 2%。

在轻载下,PWM 工作模式并不总是能够提高系统效率。以图 形卡电源电路为例,视频内容改变时,驱动图形处理器的降 压转换器的负载电流也会改变。连续 PWM 工作模式可以处 理宽范围的负载电流,但在轻载下,调节器所需的功率会占 去输送给负载的总功率的较大比例,导致系统效率迅速降 低。针对便携应用,降压调节器集成了其它省电技术,如脉 冲频率调制(PFM)、脉冲跳跃或这两者的结合等。

ADI公司将高效率轻载工作模式定义为“省电模式”(PSM)。 进入省电模式时,PWM调节电平会产生偏移,导致输出电压 上升,直至它达到比PWM调节电平高约 1.5%的电平,此时 PWM工作模式关闭,两个功率开关均断开,器件进入空闲模 式。COUT可以放电,直到VOUT降至PWM调节电压。然后,器 件驱动电感,导致VOUT再次上升到阈值上限。只要负载电流 低于省电模式电流阈值,此过程就会重复进行。

ADP2138 是一款紧凑型 800 mA、3 MHz、降压 DC-DC 转换 器。图 4所示为典型应用电路。图 5显示了强制 PWM工作模 式下和自动 PWM/PSM 工作模式下的效率改善情况。由于频 率存在变化,PSM 干扰可能难以滤除,因此许多降压调节器 提供一个 MODE 引脚(如图 4 所示),用户可以通过该引脚 强制器件以连续 PWM 模式工作,或者允许器件以自动 PWM/PSM 模式工作。MODE 引脚既可以通过硬连线来设置 任一工作模式,也可以根据需要而动态切换,以达到省电目 的。

图 4. ADP2138/ADP2139典型应用电路

图 5. ADP2138的效率:(a) 连续 PWM模式;(b) PSM模式

降压调节器提高效率
电池的续航时间是新型便携式设备设计高度关注的一个特 性。提高系统效率可以延长电池工作时间,降低更换或充电的频度。例如,一个锂离子充电电池可以使用ADP125 LDO以 0.8 V电压驱动一个 500 mA负载,如图 6 所示。该LDO的 效率只有 19% (VOUT/VIN × 100% = 0.8/4.2 × 100%)。LDO无法 存储未使用的能量,因此剩余的 81%的功率(1.7 W)只能以热 量形式在LDO内部耗散掉,这可能会导致手持式设备的温度 迅速上升。如果使用ADP2138 开关调节器,在 4.2 V输入和 0.8 V输出下,工作效率将是 82%,比前一方案的效率高出 4 倍多,便携式设备的温度升幅将大大减小。这些系统效率的 大幅改善使得开关调节器大量运用于便携式设备。

降压转换器关键规格和定义

输入电压范围:降压转换器的输入电压范围决定了最低的可 用输入电源电压。规格可能提供很宽的输入电压范围,但VIN 必须高于VOUT才能实现高效率工作。例如,要获得稳定的 3.3 V输出电压,输入电压必须高于 3.8 V。

地电流或静态电流:IQ是未输送给负载的直流偏置电流。器 件的IQ越低,则效率越高。然而,IQ可以针对许多条件进行规 定,包括关断、零负载、PFM工作模式或PWM工作模式。因 此,为了确定某个应用的最佳降压调节器,最好查看特定工 作电压和负载电流下的实际工作效率数据。

关断电流: 这是使能引脚禁用时器件消耗的输入电流,对低 功耗降压调节器来说通常远低于 1µA。这一指标对于便携式 设备处于睡眠模式时电池能否具有长待机时间很重要。

输出电压精度: ADI 公司的降压转换器具有很高的输出电压 精度,固定输出器件在工厂制造时就被精确调整到±2%之内 (25°C)。输出电压精度在工作温度、输入电压和负载电流 范围条件下加以规定,最差情况下的不精确性规定为±x%。

线路调整率: 线路调整率是指额定负载下输出电压随输入电 压变化而发生的变化率。

负载调整率: 负载调整率是指输出电压随输出电流变化而发 生的变化率。对于缓慢变化的负载电流,大多数降压调节器 都能保持输出电压基本上恒定不变。

负载瞬变:如果负载电流从较低水平快速变化到较高水平, 导致工作模式在 PFM 与 PWM 之间切换,或者从 PWM 切换 到 PFM,就可能产生瞬态误差。并非所有数据手册都会规定 负载瞬变,但大多数数据手册都会提供不同工作条件下的负 载瞬态响应曲线。

限流:ADP2138 等降压调节器内置保护电路,限制流经 PFET 开关和同步整流器的正向电流。正电流控制限制可从输 入端流向输出端的电流量。负电流限值防止电感电流反向并 流出负载.

软启动:内部软启动功能对于降压调节器非常重要,它在启 动时控制输出电压缓升,从而限制浪涌电流。这样,当电池 或高阻抗电源连接到转换器输入端时,可以防止输入电压下 降。器件使能后,内部电路开始上电周期。

启动时间是指使能信号的上升沿至VOUT达到其标 称值的 90%的时间。这个测试通常是在施加VIN、使能引脚从 断开切换到接通的条件下进行。在使能引脚连接到VIN的情况 下,当VIN从关断切换到开启时,启动时间可能会大幅增加, 因为控制环路需要一定的稳定时间。在调节器需要频繁启动 和关闭以节省功耗的便携式系统中,调节器的启动时间是一 个重要的考虑因素.

热关断(TSD): 当结点温度超过规定的限值时,热关断电路就 会关闭调节器。极端的结温可能由工作电流高、电路板冷却 不佳或环境温度高等原因引起。保护电路包括一定的迟滞,防止器件在芯片温度降至预设限值以下之前返回正常工作状 态。

100%占空比工作: 随着VIN下降或ILOAD上升,降压调节器会 达到一个限值:即使PFET开关以 100%占空比导通,VOUT仍 低于预期的输出电压。此时,ADP2138 平滑过渡到可使PFET 开关保持 100%占空比导通的模式。当输入条件改变时,器件 立即重新启动PWM调节,VOUT不会过冲。

放电开关: 在某些系统中,如果负载非常小,降压调节器的 输出可能会在系统进入睡眠模式后的一定时间内仍然保持较 高水平。然而,如果系统在输出电压放电之前启动上电序 列,系统可能会发生闩锁,或者导致器件受损。当使能引脚 变为低电平或器件进入欠压闭锁/热关断状态时,ADP2139 降 压调节器通过集成的开关电阻(典型值 100 Ω)给输出放电。

欠压闭锁: 欠压闭锁(UVLO)可以确保只有在系统输入电压高 于规定阈值时才向负载输出电压。UVLO 很重要,因为它只 在输入电压达到或超过器件稳定工作要求的电压时才让器件 上电.

结束语
低功耗降压调节器使开关DC-DC转换器设计不再神秘。ADI 公司提供一系列高集成度、坚固耐用、易于使用、高性价比 的降压调节器,只需极少的外部元件就能实现高工作效率。 系统设计师可以使用数据手册应用部分提供的设计计算,或者使用 ADIsimPower™ 设计工具。欲查看有关ADI公司降压 调节器的选型指南、数据手册和应用笔记,请访问:www.analog.com/en/power-management/products/index.html. 欲了解更多信息,请联系ADI公司应用工程师.

参考文献
(Information on all ADI components can be found at www.analog.com.)

Lenk, John D. Simplified Design of Switching Power Supplies. Elsevier. 1996. ISBN 13: 978-0-7506-9821-4.

Marasco, K. How to Apply Low-Dropout Regulators Successfully.? Analog Dialogue. Volume 43, Number 3. 2009. pp. 14-17.

附录
3 MHz同步降压 DC-DC转换器驱动 800 mA负载
The ADP2138ADP2139 降压DC-DC转换器针对无线手机、个人 媒体播放器、数码相机和其它便携式设备应用进行了优化。 二者既可以在强制脉冲宽度(PWM)模式下工作,以获得最低 的纹波,也可以在PWM模式与省电模式之间自动切换,以便 在轻负载下获得最高效率。2.3 V至 5.5 V输入范围支持使用标 准电源,包括锂电池、碱性电池和镍氢电池。提供 0.8 V至 3.3 V范围内的多个固定输出电压选项,负载能力为 800 mA, 精度为 2%。内置功率开关和同步整流器可提高效率并减少外 置器件数量。ADP2139(如图A所示)另外增加了一个内部放 电开关。ADP2138和ADP2139采用紧凑型 1 mm × 1.5 mm、6引脚WLCSP封装,额定温度范围为–40°C至+125°C,千片订 量报价为 0.90美元/片。 .

图 A. ADP2139功能框图

作者简介
Ken Marasco [ken.marasco@analog.com] 是ADI 公司系统应用经理,负责便携式电源产品的技 术支持,在ADI公司便携式应用小组已经工作 了三年。他毕业于NYIT,持有应用物理专业 学士学位,在系统和元件设计方面拥有 35 年 的丰富经验。
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