電源工程師設計札記（一）：輕松完成電源設計

　　4、在系統(tǒng)中成功運用DC-DC降壓調(diào)節(jié)器

　　智能手機、平板電腦、數(shù)碼相機、導航系統(tǒng)、醫(yī)療設備和其它低功耗便攜式設備常常包含多個采用不同半導體工藝制造的集成電路。這些設備通常需要多個獨立的電源電壓，各電源電壓一般不同于電池或外部 AC/DC電源提供的電壓。

　　圖 1 顯示了一個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，一種簡單的方法是運用低壓差調(diào)節(jié)器（LDO）。不過，當VIN遠高于 VOUT時，未輸送到負載的功率會以熱量形式損失，導致LDO 效率低下。一種常見的替代方案是采用開關轉換器，它將能量交替存儲在電感的磁場中，然后以不同的電壓釋放給負載。這種方案的損耗較低，是一種更好的選擇，可實現(xiàn)高效率運行。本文介紹降壓型轉換器，它提供較低的輸出電壓。升壓型轉換器將另文介紹，它提供較高的輸出電壓。內(nèi)置 FET作為開關的開關轉換器稱為開關調(diào)節(jié)器，需要外部FET的開關轉換器則稱為開關控制器。多數(shù)低功耗系統(tǒng)同時運用 LDO和開關轉換器來實現(xiàn)成本和性能目標。

　　圖 1. 典型低功耗便攜式系統(tǒng)

　　降壓調(diào)節(jié)器包括 2 個開關、2 個電容和 1 個電感，如圖 2 所示。非交疊開關驅動機制確保任一時間只有一個開關導通，避免發(fā)生不良的電流“直通”現(xiàn)象。在第 1 階段，開關B斷開，開關A閉合。電感連接到VIN，因此電流從VIN流到負載。由于電感兩端為正電壓，因此電流增大。在第 2 階段，開關A斷開，開關B閉合。電感連接到地，因此電流從地流到負載。由于電感兩端為負電壓，因此電流減小，電感中存儲的能量釋放到負載中。

　　圖 2. 降壓轉換器拓撲結構和工作波形

　　注意，開關調(diào)節(jié)器既可以連續(xù)工作，也可以斷續(xù)工作。連續(xù)導通以連續(xù)導通模式（CCM）工作時，電感電流不會降至 0；以斷續(xù)導通模式（DCM）工作時，電感電流可以降至 0。低功耗降壓轉換器很少在斷續(xù)導通模式下工作。設計的，電流紋波（如圖 2中的ΔI 所示）通常為標稱負載電流的 20%到 50%。

　　在圖 3 中，開關 A 和開關 B 分別利用 PFET 和 NFET 開關實現(xiàn)，構成一個同步降壓調(diào)節(jié)器。“同步”一詞表示將一個 FET 用作低端開關。用肖特基二極管代替低端開關的降壓調(diào)節(jié)器稱為“異步”（或非同步）型。處理低功率時，同步降壓調(diào)節(jié)器更有效，因為 FET 的壓降低于肖特基二極管。然而，當電感電流達到 0 時，如果底部 FET 未釋放，同步轉換器的輕載效率會降低，而且額外的控制電路會提高 IC 的復雜性和成本。

　　圖 3. 降壓調(diào)節(jié)器集成振蕩器、PWM控制環(huán)路和開關 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，通過改變脈沖寬度（tON）來調(diào)整輸出電壓。輸送的平均功率與占空比D成正比，因此這是一種向負載提高功率的有效方式。

　　FET 開關由脈寬控制器控制，后者響應負載變化，利用控制環(huán)路中的電壓或電流反饋來調(diào)節(jié)輸出電壓。低功耗降壓轉換器的工作頻率范圍一般是 1 MHz 到 6 MHz。開關頻率較高時，所用的電感可以更小，但開關頻率每增加一倍，效率就會降低大約 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，驅動圖形處理器的降壓轉換器的負載電流也會改變。連續(xù) PWM 工作模式可以處理寬范圍的負載電流，但在輕載下，調(diào)節(jié)器所需的功率會占去輸送給負載的總功率的較大比例，導致系統(tǒng)效率迅速降低。針對便攜應用，降壓調(diào)節(jié)器集成了其它省電技術，如脈沖頻率調(diào)制（PFM）、脈沖跳躍或這兩者的結合等。

　　ADI公司將高效率輕載工作模式定義為“省電模式”（PSM）。進入省電模式時，PWM調(diào)節(jié)電平會產(chǎn)生偏移，導致輸出電壓上升，直至它達到比PWM調(diào)節(jié)電平高約 1.5%的電平，此時 PWM工作模式關閉，兩個功率開關均斷開，器件進入空閑模式。COUT可以放電，直到VOUT降至PWM調(diào)節(jié)電壓。然后，器件驅動電感，導致VOUT再次上升到閾值上限。只要負載電流低于省電模式電流閾值，此過程就會重復進行。

　　ADP2138 是一款緊湊型 800 mA、3 MHz、降壓 DC-DC 轉換器。圖 4所示為典型應用電路。圖 5顯示了強制 PWM工作模式下和自動 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 MODE 引腳（如圖 4 所示），用戶可以通過該引腳強制器件以連續(xù) PWM 模式工作，或者允許器件以自動 PWM/PSM 模式工作。MODE 引腳既可以通過硬連線來設置任一工作模式，也可以根據(jù)需要而動態(tài)切換，以達到省電目的。

　　圖 4. ADP2138/ADP2139典型應用電路

　　圖 5. ADP2138的效率：（a） 連續(xù) PWM模式；（b） PSM模式


　降壓調(diào)節(jié)器提高效率

　　電池的續(xù)航時間是新型便攜式設備設計高度關注的一個特性。提高系統(tǒng)效率可以延長電池工作時間，降低更換或充電的頻度。例如，一個鋰離子充電電池可以使用ADP125 LDO以 0.8 V電壓驅動一個 500 mA負載，如圖 6 所示。該LDO的效率只有 19% （VOUT/VIN × 100% = 0.8/4.2 × 100%）。LDO無法存儲未使用的能量，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，這可能會導致手持式設備的溫度迅速上升。如果使用ADP2138 開關調(diào)節(jié)器，在 4.2 V輸入和 0.8 V輸出下，工作效率將是 82%，比前一方案的效率高出 4 倍多，便攜式設備的溫度升幅將大大減小。這些系統(tǒng)效率的大幅改善使得開關調(diào)節(jié)器大量運用于便攜式設備。