電源工程師設計札記（一）：輕松完成電源設計

　　降壓轉換器關鍵規(guī)格和定義

　　輸入電壓范圍：降壓轉換器的輸入電壓范圍決定了最低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才能實現高效率工作。例如，要獲得穩(wěn)定的 3.3 V輸出電壓，輸入電壓必須高于 3.8 V。

　　地電流或靜態(tài)電流：IQ是未輸送給負載的直流偏置電流。器件的IQ越低，則效率越高。然而，IQ可以針對許多條件進行規(guī)定，包括關斷、零負載、PFM工作模式或PWM工作模式。因此，為了確定某個應用的最佳降壓調節(jié)器，最好查看特定工作電壓和負載電流下的實際工作效率數據。

　　關斷電流： 這是使能引腳禁用時器件消耗的輸入電流，對低功耗降壓調節(jié)器來說通常遠低于 1µA。這一指標對于便攜式設備處于睡眠模式時電池能否具有長待機時間很重要。

　　輸出電壓精度： ADI 公司的降壓轉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就被精確調整到±2%之內（25°C）。輸出電壓精度在工作溫度、輸入電壓和負載電流范圍條件下加以規(guī)定，最差情況下的不精確性規(guī)定為±x%。

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

　　負載調整率： 負載調整率是指輸出電壓隨輸出電流變化而發(fā)生的變化率。對于緩慢變化的負載電流，大多數降壓調節(jié)器都能保持輸出電壓基本上恒定不變。

　　負載瞬變：如果負載電流從較低水平快速變化到較高水平，導致工作模式在 PFM 與 PWM 之間切換，或者從 PWM 切換到 PFM，就可能產生瞬態(tài)誤差。并非所有數據手冊都會規(guī)定負載瞬變，但大多數數據手冊都會提供不同工作條件下的負載瞬態(tài)響應曲線。

　　限流：ADP2138 等降壓調節(jié)器內置保護電路，限制流經 PFET 開關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。負電流限值防止電感電流反向并流出負載。

　　軟啟動：內部軟啟動功能對于降壓調節(jié)器非常重要，它在啟動時控制輸出電壓緩升，從而限制浪涌電流。這樣，當電池或高阻抗電源連接到轉換器輸入端時，可以防止輸入電壓下降。器件使能后，內部電路開始上電周期。

　　啟動時間是指使能信號的上升沿至VOUT達到其標稱值的 90%的時間。這個測試通常是在施加VIN、使能引腳從斷開切換到接通的條件下進行。在使能引腳連接到VIN的情況下，當VIN從關斷切換到開啟時，啟動時間可能會大幅增加，因為控制環(huán)路需要一定的穩(wěn)定時間。在調節(jié)器需要頻繁啟動和關閉以節(jié)省功耗的便攜式系統(tǒng)中，調節(jié)器的啟動時間是一個重要的考慮因素。

　　熱關斷（TSD）： 當結點溫度超過規(guī)定的限值時，熱關斷電路就會關閉調節(jié)器。極端的結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。保護電路包括一定的遲滯，防止器件在芯片溫度降至預設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，降壓調節(jié)器會達到一個限值：即使PFET開關以 100%占空比導通，VOUT仍低于預期的輸出電壓。此時，ADP2138 平滑過渡到可使PFET 開關保持 100%占空比導通的模式。當輸入條件改變時，器件立即重新啟動PWM調節(jié)，VOUT不會過沖。

　　放電開關： 在某些系統(tǒng)中，如果負載非常小，降壓調節(jié)器的輸出可能會在系統(tǒng)進入睡眠模式后的一定時間內仍然保持較高水平。然而，如果系統(tǒng)在輸出電壓放電之前啟動上電序列，系統(tǒng)可能會發(fā)生閂鎖，或者導致器件受損。當使能引腳變?yōu)榈碗娖交蚱骷M入欠壓閉鎖/熱關斷狀態(tài)時，ADP2139 降壓調節(jié)器通過集成的開關電阻（典型值 100 Ω）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)定閾值時才向負載輸出電壓。UVLO 很重要，因為它只在輸入電壓達到或超過器件穩(wěn)定工作要求的電壓時才讓器件上電。

　　結束語

　　低功耗降壓調節(jié)器使開關DC-DC轉換器設計不再神秘。ADI 公司提供一系列高集成度、堅固耐用、易于使用、高性價比的降壓調節(jié)器，只需極少的外部元件就能實現高工作效率。

　　5、同步降壓調節(jié)器ADP2118的簡單應用

　　伴隨著許多低功耗器件的應用，越來越多的降壓調節(jié)器芯片很受電子工程師們的親睞，在這里我向大家推薦一款我用過的同步降壓調節(jié)器芯片ADP2118，具有低靜態(tài)電流、同步、降壓DC-DC調節(jié)器，特別是其4mm×4mm的LFCP封裝，對于現在的產品要求小型化，更是特別的適合。

　　ADP2118采用2.3V至5.5V輸入電壓工作，輸出電壓可以在0.6V至輸入電壓Vin的范圍內靈活調整。另外，ADP2118提供許多固定輸出的，比如3.3V，2.5V等常用的低電壓，只需在輸入和輸出端增加濾波電路就行，應用很簡單的。下面我還是從5V轉換為3.3V的典型電路上分析一下ADP2118的應用：

　　從以上連接我們可以看出，ADP2118的外圍電路非常簡單，輸入電壓為5V，輸出電壓3.3V通過分壓電阻R10和R11得到。作為同步降壓型調節(jié)器，ADP2118的引腳：

　　Pin1為同步輸入引腳，當此引腳與VIN相連時，PFM模式禁用，ADP2118僅工作在電流連續(xù)導通模式，此引腳與地連接時，PFM模式使能；

　　Pin2為頻率選擇，當連接至GND選擇600Hz，連接至VIN時選擇1.2MHz；

　　Pin3為跟蹤輸入，要跟蹤主電壓，從主電壓的分壓器引出電壓來驅動TRK，如果不跟蹤，就直接連接至VIN；

　　作為常用的電路，我們選擇ADP2118工作在電流連續(xù)導通模式，工作頻率為1.2MHz，不采用跟蹤模式，故直接連接將Pin1、Pin2和Pin3至VIN引腳；

　　ADP2118的其余引腳，根據定義去連接，記得連接上輸出電感和濾波電容哦。由于ADP2118根據負載的大小決定工作模式，當輕載時切換到PFM模式，中載至滿載時切換到電流連續(xù)導通模式。經過測試，發(fā)現PFM模式下ADP2118輸出電壓的紋波遠大于PWM模式下輸出電壓，故推薦使用PWM模式，即典型電路連接方式。

　　最后，也是ADP2118的特色，集成有軟啟動，用于限制輸出電壓上升時間并減少啟動時的浪涌電流，軟啟動的固定時間周期為2048個時鐘周期。

　　以上是我在應用ADP2118時的某些發(fā)現，希望能給大家的電源芯片選擇方面帶來某些幫助，將感到無比欣慰。謝謝！

　　6、用20位DAC實現1 ppm精度——精密電壓源

　　高分辨率數模轉換器（DAC）的常見用途之一是提供可控精密電壓。分辨率高達20位、精度達1 ppm且具有合理速率的DAC的應用范圍包括醫(yī)療MRI系統(tǒng)中的梯度線圈控制、測試和計量中的精密直流源、質譜測定和氣譜分析中的精密定點和位置控制以及科學應用中的光束檢測。

　　隨著時間的推移，半導體處理和片內校準技術的發(fā)展，關于精密集成電路DAC的定義也不斷變化。高精度12 位DAC一度被認為遙不可及；近年來，16 位精度已日益在精密醫(yī)學、儀器儀表、測試和計量應用中得到廣泛運用；在未來，控制系統(tǒng)和儀器儀表系統(tǒng)甚至需要更高的分辨率和精度。

　　高精密應用目前要求18/20位、1 ppm精度數模轉換器，以前只有笨重、昂貴、慢速的Kelvin-Varley分壓器才能達到這一性能水平——屬于標準實驗室的專利，幾乎不適用于現實儀器儀表系統(tǒng)。針對這類要求且采用IC DAC組件，更便利的半導體1 ppm 精度解決方案已推出數年，但此類復雜系統(tǒng)需要使用多種器件，需要不斷進行校準，還需十分謹慎才可取得理想精度，而且體積大、成本高（見附錄）。長久以來，精密儀器儀表市場都需要一種更簡單，具有成本優(yōu)勢，無需校準或持續(xù)監(jiān)控，簡單易用，而且提供保證性能規(guī)格的DAC。目前，從16 位和18 位單芯片轉換器（如DAC）自然升級已成為可能。

　　AD5791 1 ppm DAC

　　半導體處理技術、DAC架構設計和快速片內校準技術的發(fā)展使穩(wěn)定、建立時間短的高線性度數模轉換器成為可能。這種轉換器可提供高優(yōu)于1 ppm的相對精度、0.05 ppm/°C溫度漂移、0.1 ppm p-p噪聲、優(yōu)于1 ppm的長期穩(wěn)定性和1MHz吞吐量。這類小型單芯片器件保證性能規(guī)格，無需校準且簡單易用。AD5791及其配套基準電壓源和輸出緩沖的典型功能框圖如圖1所示。

　　圖1. AD5791典型工作框圖。

　　AD5791是一款單芯片、20 位、電壓輸出數模轉換器，具有額定的1 LSB（最低有效位）積分非線性度（INL）和微分非線性度（DNL），是業(yè)界首款單芯片1 ppm 精度的數模轉換器（1 LSB@20位為220分之一 =1，048，576分之一 = 1 ppm）。該器件設計用于高精密儀器儀表以及測試和計量系統(tǒng)，與其他解決方案相比，其整體性能有較大提升，具有更高的精度、體積更小、成本更低，使以前不具經濟可行性的儀器儀表應用成為可能。

　　其設計（如圖2所示）采用精密電壓模式R-2R架構，利用了最新的薄膜電阻匹配技術，并通過片內校準例程來實現1 ppm精度。由于AD5791采用工廠校準模式，因而運行時無需校準程序，其延遲不超過100 ns，可用于波形生成應用及快速控制環(huán)路。

　　圖2. DAC梯形結構。

　　AD5791不但提供出色的線性度，而且可具有9 nV/√Hz噪聲密度、0.1 Hz至10 Hz頻帶內0.6 μV峰峰值噪聲、0.05 ppm/°C溫度漂移，且其1000小時長期穩(wěn)定性優(yōu)于0.1 ppm。

　　作為一種高電壓器件，采用雙電源供電，最高±16.5 V。輸出電壓范圍由正負基準電壓VREFP和VREFN決定，提供了靈活的輸出范圍選擇。

　　AD5791所用精密架構要求使用高性能外置放大器來緩沖來自3.4 k? DAC電阻的基準源，為基準輸入引腳的加載感應提供方便，以確保AD5791的1 ppm線性度。AD5791需要一個輸出緩沖來驅動負載，以減輕3.4 k?輸出阻抗的負擔——除非驅動的是一個極高阻抗、低電容負載——或者衰減處于容限之內并可預測。

　　由于放大器為外置型，可根據噪聲、溫度漂移和速度的優(yōu)化需要進行選擇——并可調整比例因子——具體視應用需要而定。對于基準緩沖，建議采用AD8676 雙通道放大器，其具有低噪聲、低失調誤差、低失調誤差漂移和低輸入偏置電流的特點?；鶞示彌_的輸入偏置電流特性非常重要，因為過大的偏置電流會降低直流線性度。積分非線性度的降低（單位：ppm）為輸入偏置電流的函數，一般表示為：

　　其中，IBIAS 單位為 nA；VREFP和VREFN的單位均為伏特。例如，對于±10 V的基準輸入范圍，100 nA的輸入偏置電流將使INL提高0.05 ppm。