在系統(tǒng)中成功運(yùn)用DC/DC降壓調(diào)節(jié)器的技巧

圖 1 顯示了一個(gè)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(jiǎn)單的方法是運(yùn)用低壓差調(diào)節(jié)器(LDO)。不過(guò)，當(dāng)VIN遠(yuǎn)高于 VOUT時(shí)，未輸送到負(fù)載的功率會(huì)以熱量形式損失，導(dǎo)致LDO 效率低下。一種常見(jiàn)的替代方案是采用開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器，它將能量交替存儲(chǔ)在電感的磁場(chǎng)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(shí)現(xiàn)高效率運(yùn)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(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器稱為開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，需要外部FET的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器則稱為開(kāi)關(guān)控制器。多數(shù)低功耗系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)用 LDO和開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)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(gè)開(kāi)關(guān)、2 個(gè)電容和 1 個(gè)電感，如圖 2 所示。非交疊開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)機(jī)制確保任一時(shí)間只有一個(gè)開(kāi)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(kāi)關(guān)B斷開(kāi)，開(kāi)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(kāi)關(guān)A斷開(kāi)，開(kāi)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(chǔ)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(kāi)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(shí)，電感電流不會(huì)降至 0；以斷續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)工作時(shí)，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(jì)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(kāi)關(guān) A 和開(kāi)關(guān) B 分別利用 PFET 和 NFET 開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，構(gòu)成一個(gè)同步降壓調(diào)節(jié)器?！巴健币辉~表示將一個(gè) FET 用作低端開(kāi)關(guān)。用肖特基二極管代替低端開(kāi)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(shí)，同步降壓調(diào)節(jié)器更有效，因?yàn)?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(shí)，如果底部 FET 未釋放，同步轉(zhuǎn)換器的輕載效率會(huì)降低，而且額外的控制電路會(huì)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(kāi)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(guò)改變脈沖寬度(tON)來(lái)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(kāi)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(lái)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(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，所用的電感可以更小，但開(kāi)關(guān)頻率每增加一倍，效率就會(huì)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(shí)，驅(qū)動(dòng)圖形處理器的降壓轉(zhuǎn)換器的負(fù)載電流也會(huì)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(huì)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(duì)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(shí)，PWM調(diào)節(jié)電平會(huì)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(shí) PWM工作模式關(guān)閉，兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)均斷開(kāi)，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(dòng)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(guò)程就會(huì)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(qiáng)制 PWM工作模式下和自動(dòng) 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(gè) MODE 引腳（如圖 4 所示），用戶可以通過(guò)該引腳強(qiáng)制器件以連續(xù) PWM 模式工作，或者允許器件以自動(dòng) PWM/PSM 模式工作。MODE 引腳既可以通過(guò)硬連線來(lái)設(shè)置任一工作模式，也可以根據(jù)需要而動(dòng)態(tài)切換，以達(dá)到省電目的。

圖 4. ADP2138/ADP2139典型應(yīng)用電路

降壓調(diào)節(jié)器提高效率
電池的續(xù)航時(shí)間是新型便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)高度關(guān)注的一個(gè)特性。提高系統(tǒng)效率可以延長(zhǎng)電池工作時(shí)間，降低更換或充電的頻度。例如，一個(gè)鋰離子充電電池可以使用ADP125 LDO以 0.8 V電壓驅(qū)動(dòng)一個(gè) 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(wú)法存儲(chǔ)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(huì)導(dǎo)