專為便攜式系統(tǒng)的處理器供電的雙路同步穩(wěn)壓器電路

便攜式電子產(chǎn)品在提供更豐富的功能的同時對電能和不同電壓軌的需求也日益增多。由于負(fù)載增加，許多電壓軌首選DC/DC方式來供電。具有六路以上輸出的電源轉(zhuǎn)換器存在布線對PCB面積需求大以及系統(tǒng)配置不靈活的缺點，相比之下，雙路或三路輸出的電源轉(zhuǎn)換器具有很好的適應(yīng)性。它們既有單路電源的集成度，又比多路電源有著更好的靈活性，且能靠近負(fù)載放置。

如今便攜式產(chǎn)品中的處理器通常需要兩路電壓軌供電：一路為I/O口供電，一路為處理器核供電。大多數(shù)情況下，為確保處理器在上電前被可靠復(fù)位，還需提供一個合適的復(fù)位信號。具有復(fù)位信號輸出的雙路電源轉(zhuǎn)換器AP2802專為上述要求而設(shè)計，是為便攜式系統(tǒng)中的處理器供電的理想選擇。

AP2802采用3×3mm的DFN10或MSOP10微小型封裝，占位面積小，其1.5MHz的開關(guān)頻率允許采用更小小巧的外圍電感和濾波電容，方便PCB布局。

開關(guān)穩(wěn)壓電路最重要的一個指標(biāo)是負(fù)載能力。AP2802的標(biāo)稱負(fù)載能力為每路600mA，簡單來看，這兩路都可以輸出600mA的電流，但實際上評估開關(guān)穩(wěn)壓器帶載能力還必須考慮其它幾個指標(biāo)：輸出電壓變化幅度、效率以及輸出紋波幅度。通常，輸出電壓隨負(fù)載增加而緩慢下降(負(fù)載線性度指標(biāo))，當(dāng)輸出電壓下降百分比大于標(biāo)稱精度(目前電源電路的標(biāo)稱精度通常在±3%之內(nèi))時，即便電源電路仍能輸出更大電流，但已無任何意義。電源轉(zhuǎn)換效率是開關(guān)電源電路的一個重要指標(biāo)。如果滿載效率低于80%，則給出的負(fù)載能力就不是真實的。如果負(fù)載變大時紋波也變得很大，則將處于過載狀態(tài)。因此，不能簡單孤立地看負(fù)載指標(biāo)，而必須同時關(guān)注在這個負(fù)載下的其它重要相關(guān)指標(biāo)的變化。從表1給出的測試數(shù)據(jù)和圖3給出的效率曲線(在AP2802演示板上實測繪制)可知，AP2802的標(biāo)稱600mA負(fù)載能力從輸出電壓值、效率和紋波上看均名符其實，而且還有100mA以上的裕量，可以滿足當(dāng)今絕大部分便攜式產(chǎn)品中的處理器的要求。

雙路電源轉(zhuǎn)換器AP2802的典型應(yīng)用電路圖。

AP2802還為處理器提供上電復(fù)位的信號POR/，以確保處理器在上電后能得到正確復(fù)位。當(dāng)AP2802輸入電源腳VIN端上電，兩路輸出電壓均達(dá)到預(yù)設(shè)電壓后，POR/仍保持在低電平狀態(tài)，并在大約170ms后通過外部上拉電阻輸出高電平，從而完成對處理器的復(fù)位信號功能。在工作狀態(tài)中，如果兩路中任一路的輸出電壓偏離設(shè)定值約8.5%，則復(fù)位功能被重新激活。當(dāng)電壓恢復(fù)到設(shè)定范圍內(nèi)，POR/保持低電平約170ms后再恢復(fù)到高電平，完成對處理器的復(fù)位工作。這樣就能保證當(dāng)系統(tǒng)電源出現(xiàn)異常波動后，迅速對處理器進(jìn)行重新啟動，避免處理器由于電源波動而失控。圖4是在演示板上用示波器記錄下的波形。波形1是其中一路的1.8V輸出電壓，波形2是POR/的變化。在輸出端施加一瞬間的干擾信號，圖中用示波器觸發(fā)輸出端于1.62V，即可觀測到復(fù)位信號的產(chǎn)生。

AP2802的腳位圖。

兩路輸出都由各自的使能端獨(dú)立控制。當(dāng)使能端為低電平時，相應(yīng)輸出被禁止；當(dāng)使能端為高電平時，相應(yīng)輸出電壓可達(dá)到預(yù)設(shè)值。如果不考慮兩路輸出電壓之間的延時，可將兩個使能端直接與輸入電源相接。如果要控制兩路輸出的時序，除了可采用專用定序器控制兩個使能端外，也可以采用簡單的阻容元件接在使能端上。不同的阻容搭配使得兩個使能端按所需的先后順序及間隔變成高電平，從而實現(xiàn)兩路電壓輸出的時序要求(圖5)。

AP2802在3.3V和1.8V輸出時的效率曲線。

開關(guān)電源的電源轉(zhuǎn)換效率與負(fù)載大小、輸入和輸出電壓相關(guān)。一般而言，輸入輸出電壓越高，效率越高；輸入輸出之間的電壓差越小，效率越高；負(fù)載電流越接近中間值，效率越高。當(dāng)系統(tǒng)的工作電壓確定后，轉(zhuǎn)換效率將明顯地受負(fù)載電流變化的影響：負(fù)載減小，效率下降；負(fù)載增大，效率也下降。實際系統(tǒng)中的負(fù)載電流的變化范圍很寬，當(dāng)選定的穩(wěn)壓器能滿足所需的最大負(fù)載要求時，實際的負(fù)載電流在其最大值與零之間不斷地變化。這種變化與系統(tǒng)的三種工作狀態(tài)(停機(jī)、待機(jī)、工作)相對應(yīng)。

輸出擾動與復(fù)位信號。

當(dāng)系統(tǒng)處于停機(jī)時，由于處理器不消耗能量，所以電源轉(zhuǎn)換器可以停止轉(zhuǎn)換，以節(jié)省電池消耗。通過轉(zhuǎn)換器的使能端可以方便地達(dá)到這個目的。

當(dāng)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時，處理器的電流根據(jù)計算量的復(fù)雜度從幾十毫安到最大負(fù)載電流之間不斷變化，所以，保持電源轉(zhuǎn)換器正常工作即可實現(xiàn)合乎要求的高效率。

AP2802在3.6V輸入/1.8V輸出時的測試數(shù)據(jù)。

當(dāng)系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)時，處理器的大部分計算工作已停止，只有極小部分工作還處于待命狀態(tài)。盡管此時仍要求電源轉(zhuǎn)換器提供正常電壓，但消耗的電流卻很小，只有幾個毫安，甚至更低(僅微安級別)。此時，如果轉(zhuǎn)換器仍按正常方式工作，則轉(zhuǎn)換效率顯著降低。因為轉(zhuǎn)換器本身的耗電已與輸出的負(fù)載電流相當(dāng)，甚至比負(fù)載電流更大，所以效率指標(biāo)變劣。這種狀態(tài)在便攜式產(chǎn)品中持續(xù)的時間往往最長，這就變得不可接受了。

因此，電源轉(zhuǎn)換器本身需具有一定的智能性，即當(dāng)輸出負(fù)載電流低與某個值時，必須改變工作方式，進(jìn)一步降低自身電源消耗，以便在系統(tǒng)待機(jī)時仍保持很高的轉(zhuǎn)換效率。AP2802的MODE控制腳與此功能有關(guān)，它可以讓轉(zhuǎn)換器在極小的負(fù)載狀況下仍保持很高的轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)模式MODE腳接高電平時，AP2802自動根據(jù)負(fù)載電流大小，改變內(nèi)部開關(guān)操作的方式：當(dāng)負(fù)載較大時以PWM方式進(jìn)行開關(guān)操作并提供低紋波輸出的大電流，以滿足處理器的大電流需求；當(dāng)負(fù)載下降到一定程度時，轉(zhuǎn)換器以類似PFM的方式操作，在提供正確電壓時大大降低自身消耗，以保持高轉(zhuǎn)換效率。

使能端上電時序控制電路圖。

轉(zhuǎn)換器一旦設(shè)計完成投入批量供貨，其內(nèi)部的負(fù)載電流判別點也就固定了下來，不能再改變。但是，實際應(yīng)用系統(tǒng)是千差萬別的，轉(zhuǎn)換器內(nèi)部已固定的負(fù)載電流判別點如果不適合某個特定系統(tǒng)，則會對系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生不利影響。MODE腳提供了這樣的功能：當(dāng)其固定接低電平時，轉(zhuǎn)換器一直保持PWM方式，向負(fù)載提供低紋波的輸出電壓；當(dāng)處理器需要待機(jī)時，可以發(fā)出信號使MODE腳的電平為高，讓轉(zhuǎn)換器根據(jù)此時的電流大小自動進(jìn)入PFM工作方式，達(dá)到提高轉(zhuǎn)換效率的目的；當(dāng)處理器重新工作時，再使MODE電平為低。這樣，在恰當(dāng)?shù)目刂菩盘栕饔孟录纯杀ＷC無論系統(tǒng)工作在什么狀態(tài)下，轉(zhuǎn)換器的效率都很高。

AP2802的輸入電壓范圍為6.5~2.5V，最低輸出電壓可低至0.6V，可以采用兩個反饋電阻設(shè)定所需的高于0.6V的電壓，這對鋰電池供電和4節(jié)AA電池供電的產(chǎn)品而言是非常好的選擇。因為采用了1.5MHz高頻工作，可選用2.2uH小尺寸電感和10uF小型陶瓷濾波電容，占用極小的PCB面積。更詳細(xì)的規(guī)格和性能可參閱其數(shù)據(jù)手冊。

總之，AP2802以其綜合性的功能及小巧的外形和周邊元件，必將相助便攜式產(chǎn)品的設(shè)計。