電源工程師設(shè)計札記（一）：輕松完成電源設(shè)計

　　4、在系統(tǒng)中成功運用DC-DC降壓調(diào)節(jié)器

　　智能手機、平板電腦、數(shù)碼相機、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)備通常需要多個獨立的電源電壓，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 3 V到 4.2V，而IC需要 0.8 V、1.8 V、 2.5 V和 2.8 V電壓。為將電池電壓降至較低的直流電壓，一種簡單的方法是運用低壓差調(diào)節(jié)器（LDO）。不過，當(dāng)VIN遠(yuǎn)高于 VOUT時，未輸送到負(fù)載的功率會以熱量形式損失，導(dǎo)致LDO 效率低下。一種常見的替代方案是采用開關(guān)轉(zhuǎn)換器，它將能量交替存儲在電感的磁場中，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，可實現(xiàn)高效率運行。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作為開關(guān)的開關(guān)轉(zhuǎn)換器稱為開關(guān)調(diào)節(jié)器，需要外部FET的開關(guān)轉(zhuǎn)換器則稱為開關(guān)控制器。多數(shù)低功耗系統(tǒng)同時運用 LDO和開關(guān)轉(zhuǎn)換器來實現(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 個開關(guān)、2 個電容和 1 個電感，如圖 2 所示。非交疊開關(guān)驅(qū)動機制確保任一時間只有一個開關(guān)導(dǎo)通，避免發(fā)生不良的電流“直通”現(xiàn)象。在第 1 階段，開關(guān)B斷開，開關(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，開關(guān)A斷開，開關(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，電感電流不會降至 0；以斷續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）工作時，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，開關(guān) A 和開關(guān) B 分別利用 PFET 和 NFET 開關(guān)實現(xiàn)，構(gòu)成一個同步降壓調(diào)節(jié)器。“同步”一詞表示將一個 FET 用作低端開關(guān)。用肖特基二極管代替低端開關(guān)的降壓調(diào)節(jié)器稱為“異步”（或非同步）型。處理低功率時，同步降壓調(diào)節(jié)器更有效，因為 FET 的壓降低于肖特基二極管。然而，當(dāng)電感電流達(dá)到 0 時，如果底部 FET 未釋放，同步轉(zhuǎn)換器的輕載效率會降低，而且額外的控制電路會提高 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，通過改變脈沖寬度（tON）來調(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 1 MHz 到 6 MHz。開關(guān)頻率較高時，所用的電感可以更小，但開關(guān)頻率每增加一倍，效率就會降低大約 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，驅(qū)動圖形處理器的降壓轉(zhuǎn)換器的負(fù)載電流也會改變。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，PWM調(diào)節(jié)電平會產(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 PWM工作模式關(guān)閉，兩個功率開關(guān)均斷開，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，此過程就會重復(fù)進(jìn)行。

　　ADP2138 是一款緊湊型 800 mA、3 MHz、降壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。圖 4所示為典型應(yīng)用電路。圖 5顯示了強制 PWM工作模式下和自動 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 MODE 引腳（如圖 4 所示），用戶可以通過該引腳強制器件以連續(xù) PWM 模式工作，或者允許器件以自動 PWM/PSM 模式工作。MODE 引腳既可以通過硬連線來設(shè)置任一工作模式，也可以根據(jù)需要而動態(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)航時間是新型便攜式設(shè)備設(shè)計高度關(guān)注的一個特性。提高系統(tǒng)效率可以延長電池工作時間，降低更換或充電的頻度。例如，一個鋰離子充電電池可以使用ADP125 LDO以 0.8 V電壓驅(qū)動一個 500 mA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無法存儲未使用的能量，因此剩余的 81%的功率（1.7 W）只能以熱量形式在LDO內(nèi)部耗散掉，這可能會導(dǎo)致手持式設(shè)備的溫度迅速上升。如果使用ADP2138 開關(guān)調(diào)節(jié)器，在 4.2 V輸入和 0.8 V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關(guān)調(diào)節(jié)器大量運用于便攜式設(shè)備。