如何為便攜式多媒體處理器供電

引言

在現(xiàn)代應用中，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是一個成本低廉而且強固耐用的電源解決方案，但是它耗電很大。越來越多的便攜設(shè)備廠商，像數(shù)碼相機、手機、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，通常是這些廠商無法逾越的障礙。
STw4141是一個創(chuàng)新的開關(guān)電源，只使用一個外接線圈就能產(chǎn)生兩個獨立的輸出電壓。因為其內(nèi)在的開關(guān)特性，這個芯片的效率很高，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獨立的開關(guān)電源媲美，尺寸相當于兩個獨立的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)新的雙輸出拓撲就是源自這種設(shè)計。圖1是一個簡單的降壓轉(zhuǎn)換器的電路示意圖，圖2是其線圈電流的波形。降壓轉(zhuǎn)換器拓撲組件包括PMOS和NMOS組成的功率級、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PMOS晶體管導通時，線圈電流開始上升，斜率為：
(1) 當NMOS晶體管導通時，線圈電流開始下降，斜率為：


圖1 降壓拓撲

(2) 在穩(wěn)態(tài)過程中，下列條件必須有效：
(3)
(4) 公式3是指每個時鐘周期開始時的線圈電流IL必須等于每個時鐘周期結(jié)束時的線圈電流IL(否則系統(tǒng)不是穩(wěn)態(tài))。從這個條件，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載消耗的總電量，假設(shè)所有的開關(guān)和RDSon損耗忽略不計。


圖 2 線圈電流波形

對于雙輸出拓撲，在STw4141穩(wěn)壓器中，線圈產(chǎn)生的電流分配給兩個輸出端，從這兩個輸出端口獲得的負載電流可以(實際上總是)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 是負載從輸出1汲取的電流，Iload2 是負載從輸出2汲取的電流。


圖 3 STw4141拓撲

為了按照公式6分配電量，系統(tǒng)就需要增加兩個開關(guān)MOS1和MOS2，如圖3所示。當MOS1導通時，線圈內(nèi)貯存的電量就會傳送到輸出1；當MOS2導通時，線圈內(nèi)貯存的電量就會傳送到輸出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?？梢哉f占空比D1是測量系統(tǒng)能夠傳輸?shù)目傠娔艿臉藴剩伎毡菵2則是測量兩個輸出之間分配的總電能的標準。值得注意的最重要因素是，該系統(tǒng)只需一個線圈。
圖4是雙輸出拓撲線圈電流的波形。與傳統(tǒng)的降壓轉(zhuǎn)換器不同，雙輸出拓撲有三個主要相位：(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D2

圖4 線圈電流波形