如何為便攜式多媒體處理器供電

引言

在現(xiàn)代應(yīng)用中，傳統(tǒng)的低壓降穩(wěn)壓器(LDO)正逐漸被開關(guān)電源(SMPS)所取代。雖然LDO是一個(gè)成本低廉而且強(qiáng)固耐用的電源解決方案，但是它耗電很大。越來(lái)越多的便攜設(shè)備廠商，像數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)、PDA制造商，都在研究用效率更高的解決方案取代LDO的可行性。開關(guān)解決方案的大小，即電源的物理尺寸，通常是這些廠商無(wú)法逾越的障礙。
STw4141是一個(gè)創(chuàng)新的開關(guān)電源，只使用一個(gè)外接線圈就能產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的輸出電壓。因?yàn)槠鋬?nèi)在的開關(guān)特性，這個(gè)芯片的效率很高，而且所需的外部組件數(shù)量極少。該產(chǎn)品的效率可以與兩個(gè)獨(dú)立的開關(guān)電源媲美，尺寸相當(dāng)于兩個(gè)獨(dú)立的LDO電源。因此，能夠取代便攜設(shè)備中的線性電源，或者縮減開關(guān)穩(wěn)壓器的物理尺寸和成本。

工作原理
先簡(jiǎn)要地了解一下傳統(tǒng)的降壓直流-直流轉(zhuǎn)換器，STw4141創(chuàng)新的雙輸出拓?fù)渚褪窃醋赃@種設(shè)計(jì)。圖1是一個(gè)簡(jiǎn)單的降壓轉(zhuǎn)換器的電路示意圖，圖2是其線圈電流的波形。降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣M件包括PMOS和NMOS組成的功率級(jí)、線圈L、輸出電容C和反饋控制回路。PMOS和NMOS以1/T的頻率反相開關(guān)，占空比為D1.。當(dāng)PMOS晶體管導(dǎo)通時(shí)，線圈電流開始上升，斜率為：
(1) 當(dāng)NMOS晶體管導(dǎo)通時(shí)，線圈電流開始下降，斜率為：


圖1 降壓拓?fù)?br />
(2) 在穩(wěn)態(tài)過(guò)程中，下列條件必須有效：
(3)
(4) 公式3是指每個(gè)時(shí)鐘周期開始時(shí)的線圈電流IL必須等于每個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束時(shí)的線圈電流IL(否則系統(tǒng)不是穩(wěn)態(tài))。從這個(gè)條件，我們可以得出降壓轉(zhuǎn)換器的占空比公式。
(5) 公式4指線圈產(chǎn)生的總電量必須等于負(fù)載消耗的總電量，假設(shè)所有的開關(guān)和RDSon損耗忽略不計(jì)。


圖 2 線圈電流波形

對(duì)于雙輸出拓?fù)?，在STw4141穩(wěn)壓器中，線圈產(chǎn)生的電流分配給兩個(gè)輸出端，從這兩個(gè)輸出端口獲得的負(fù)載電流可以(實(shí)際上總是)完全不相關(guān)。因此，公式4的穩(wěn)態(tài)條件必須改寫成：
(6) 其中，Iload1 是負(fù)載從輸出1汲取的電流，Iload2 是負(fù)載從輸出2汲取的電流。


圖 3 STw4141拓?fù)?br />
為了按照公式6分配電量，系統(tǒng)就需要增加兩個(gè)開關(guān)MOS1和MOS2，如圖3所示。當(dāng)MOS1導(dǎo)通時(shí)，線圈內(nèi)貯存的電量就會(huì)傳送到輸出1；當(dāng)MOS2導(dǎo)通時(shí)，線圈內(nèi)貯存的電量就會(huì)傳送到輸出2。MOS1和MOS2以類似于PMOS和NMOS的1/T頻率反相開關(guān)，而占空比D2.不同于PMOS和NMOS的D1。可以說(shuō)占空比D1是測(cè)量系統(tǒng)能夠傳輸?shù)目傠娔艿臉?biāo)準(zhǔn)，而占空比D2則是測(cè)量?jī)蓚€(gè)輸出之間分配的總電能的標(biāo)準(zhǔn)。值得注意的最重要因素是，該系統(tǒng)只需一個(gè)線圈。
圖4是雙輸出拓?fù)渚€圈電流的波形。與傳統(tǒng)的降壓轉(zhuǎn)換器不同，雙輸出拓?fù)溆腥齻€(gè)主要相位：(Vbat-Vout2)/L上升斜率；-Vout2/L下降斜率；-Vout1/L下降斜率。在本例中，D2>D1，但是，當(dāng)D2

圖4 線圈電流波形