便攜式多媒體處理器供電問題的解決方案

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。

前言

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，通常是這些廠商無法逾越的障礙。

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)過程中，下列條件必須有效：

（3）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。

（4）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)洌?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/STw4141">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。


圖4線圈電流波形

性能

提高效率的措施包括同步整流、采用脈頻調(diào)制PFM模式、最大限度降低RDSOn功耗和先進(jìn)的內(nèi)部啟用/禁用策略。

同步整流用于降低二極管D前向電壓而產(chǎn)生的功耗（見圖1），在二次循環(huán)期間，NMOS晶體管短接二極管D，導(dǎo)致功耗降低，這是因?yàn)?br />
（7）線圈內(nèi)的電流可能會(huì)逆轉(zhuǎn)是同步整流技術(shù)已知的缺點(diǎn)，這會(huì)導(dǎo)致功耗增加。STw4141解決了這個(gè)難題，方法是當(dāng)IL=0時(shí)，將NMOS晶體管關(guān)斷，預(yù)防線圈內(nèi)電流回流。STw4141的同步整流方法在中等負(fù)載條件下極大地提高了效率。

在負(fù)載極低時(shí)，通過進(jìn)入PFM模式，效率得到進(jìn)一步提高。在PFM模式下，功率轉(zhuǎn)換不再與內(nèi)置振蕩器同步，而是根據(jù)需求量向輸出端傳送電能。功率級(jí)換向頻率最小化，再加上禁用PFM模式下無用的內(nèi)部振蕩器，使STw4141變得更加省電，如圖5所示。STw4141能夠自動(dòng)選擇模式，無需用戶介入即可實(shí)現(xiàn)最佳的效率。


圖5效率特性

PFM模式的使用方式取決于芯片的應(yīng)用場(chǎng)合。因?yàn)樵赑FM模式下功率轉(zhuǎn)換是異步的，電磁輻射可能會(huì)在應(yīng)用敏感的頻率下產(chǎn)生頻譜噪聲。如果存在這種制約因素，那么可以使用兩種方法進(jìn)行配置：PFM模式完全禁用；用戶可以覆蓋自動(dòng)開關(guān)，強(qiáng)制進(jìn)入工作模式。設(shè)計(jì)人員利用覆蓋功能可以設(shè)計(jì)一個(gè)既節(jié)能省電又無頻譜干擾的電源系統(tǒng)。在待機(jī)模式下，任務(wù)時(shí)段性完成95%過程的應(yīng)用處理器是這種系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例，因?yàn)檫@種處理器還必須在待機(jī)模式下保存數(shù)據(jù)，所以可以用待機(jī)模式供電。在收到處理器喚醒信號(hào)前幾微秒內(nèi)，芯片被強(qiáng)制進(jìn)入脈寬調(diào)制模式（PWM），并且保持這種模式一直到高級(jí)系統(tǒng)使處理器返回到睡眠模式為止。