一文帶你了解降壓型穩(wěn)壓芯片原理

前言

在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，總是離不開(kāi)電源芯片的使用，林林總總的電源芯片非常多，比如傳統(tǒng)的線(xiàn)性穩(wěn)壓器7805、低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器(LDO)、開(kāi)關(guān)型降壓穩(wěn)壓器(Buck DCDC)等，那么它們到底有什么區(qū)別呢?Excelpoint世健的工程師Wolfe Yu在此對(duì)各種降壓型穩(wěn)壓芯片的原理進(jìn)行了科普。

降壓型穩(wěn)壓芯片的主要分類(lèi)

串聯(lián)線(xiàn)性穩(wěn)壓電路原理

串聯(lián)線(xiàn)性穩(wěn)壓電路主要思路來(lái)自于基本線(xiàn)性調(diào)整模型。在輸入直流電壓和負(fù)載之間串入一個(gè)三極管，其作用就是當(dāng)輸出阻抗發(fā)生變化引起輸出電壓同步變化時(shí)，通過(guò)某種反饋形式使三極管的發(fā)射極也隨之變化，從而調(diào)整輸出電壓值，以保持輸出電壓基本穩(wěn)定。由于串入的三極管是起著電壓調(diào)整作用的，所以，這個(gè)三極管也稱(chēng)為調(diào)整管。

圖1 LDO基本模型

基本線(xiàn)性調(diào)整管的輸出電壓，主要由穩(wěn)壓管的電壓來(lái)決定，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。為了讓輸出電壓可以自由設(shè)定，從而不受穩(wěn)壓管影響，一般會(huì)加入運(yùn)算放大器，通過(guò)比例系數(shù)調(diào)節(jié)輸出電壓。

圖2 可調(diào)LDO模型

LDO直流輸入電壓和負(fù)載調(diào)整率、輸入電壓和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)、電源抑制比(PSRR)、輸出噪聲和精度在各種降壓型穩(wěn)壓器中，都是最優(yōu)，對(duì)于高精度模擬前端應(yīng)用場(chǎng)合十分必要。所以，產(chǎn)品應(yīng)用的核心電源，都會(huì)采用高精度LDO供電。

圖3 LDO主要功耗模型

LDO也會(huì)面臨另一個(gè)問(wèn)題，效率比較低。主要是穩(wěn)壓調(diào)整管所需擊穿飽和電流、運(yùn)放反饋回路電流、以及輸出電壓與壓差和電流產(chǎn)生的熱能損耗等等。一般來(lái)說(shuō)，我們把輸入電流和Iin輸出電流Iout的差值，稱(chēng)為接地電流(IGND)，接地電流包括靜態(tài)電流(IQ)，LDO的效率公式如下。

接地電流是影響LDO效率的一個(gè)因素，但是，相對(duì)于調(diào)整管的壓降來(lái)說(shuō)，如同九牛一毛，可以忽略不計(jì)。真正影響LDO效率的是輸入輸出之間的電壓差。

一般來(lái)說(shuō)，市面上常用的串聯(lián)線(xiàn)性穩(wěn)壓電路通常會(huì)采用五種常用的結(jié)構(gòu)，大體分為：經(jīng)典N(xiāo)PN型結(jié)構(gòu)LDO(A)、基于PNP驅(qū)動(dòng)的NPN輸出型低壓差結(jié)構(gòu)LDO(B)、PNP型低壓差結(jié)構(gòu)LDO(C)、P溝道低壓差LDO(D)、N溝道低壓差LDO(E)。

圖4 常見(jiàn)LDO產(chǎn)品架構(gòu)

初步分析：經(jīng)典N(xiāo)PN型結(jié)構(gòu)LDO，輸入輸出壓差基本要求滿(mǎn)足3V左右?；赑NP驅(qū)動(dòng)的NPN輸出型低壓差結(jié)構(gòu)LDO，輸入輸出壓差需要達(dá)到1.5V。PNP型低壓差結(jié)構(gòu)LDO、P溝道低壓差LDO和N溝道低壓差LDO屬于真正的低壓差LDO，P溝道低壓差LDO對(duì)于散熱要求很高，N溝道低壓差LDO相對(duì)工藝復(fù)雜。PNP型低壓差結(jié)構(gòu)LDO相對(duì)簡(jiǎn)單，輸入輸出壓差基本控制在0.3V——0.6V之間。市面上，選擇C和D方案作為L(zhǎng)DO架構(gòu)的廠(chǎng)商較多。

串聯(lián)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路原理

前面我們提到，LDO有著較大的負(fù)載調(diào)整率、輸入電壓和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)、電源抑制比(PSRR)、輸出噪聲和精度。但是由于效率太低，隨著節(jié)能減排、PCBA的布局布線(xiàn)等要求，在很多高壓差的場(chǎng)合，人們不得不尋求新的替代方案。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)和磁性材料的發(fā)展，通過(guò)調(diào)整開(kāi)關(guān)管通斷、采用換能的方式，輸出相對(duì)穩(wěn)定的電壓的DCDC應(yīng)運(yùn)而生。

圖5 Buck DCDC基本拓?fù)?

正常工作狀態(tài)下，BUCK型DCDC主要工作在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)，這種模式下，電感器上有連續(xù)電流，這種情況也稱(chēng)為重載模式，DCDC主要是通過(guò)電感電壓伏秒平衡原理，來(lái)實(shí)現(xiàn)降壓功能。

圖6 Buck DCDC連續(xù)導(dǎo)通模式及輸出波形

從上圖來(lái)看，我們可以計(jì)算出BUCK型DCDC的輸出電壓和輸入電壓之間的關(guān)系，主要依賴(lài)于開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間。

對(duì)于開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，影響開(kāi)關(guān)電源功耗的因素，主要集中在開(kāi)關(guān)管MOSEFET、門(mén)極驅(qū)動(dòng)、電感磁芯損耗和線(xiàn)損上面。

圖7 Buck DCDC主要損耗因素

相對(duì)于線(xiàn)性穩(wěn)壓電源來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的效率可以達(dá)到90%以上，相對(duì)損耗幾乎忽略不計(jì)。所以，在很多應(yīng)用場(chǎng)合，特別是較大輸出壓差和較大輸出功率的情況下，工程師幾乎統(tǒng)一都是采用這種Buck電源。

開(kāi)關(guān)電源Buck電路的控制方案

PWM脈沖調(diào)制技術(shù)

傳統(tǒng)電流模式的開(kāi)關(guān)電源，采用的方式是將采樣電流與電壓反饋環(huán)路中誤差放大器的輸出進(jìn)行比較，以生成控制MOSFET的PWM脈沖。

圖8 PWM核心控制機(jī)理

電壓模式是PWM脈沖調(diào)制一種常用的調(diào)制方式，主要采用固定頻率三角波和誤差做比較，采用三角波和誤差幅值調(diào)整占空比。

圖9 電壓調(diào)整模式架構(gòu)

峰值電流模式是PWM脈沖調(diào)制的另一種常用的調(diào)制方式，占空比主要由電流環(huán)決定，電壓環(huán)決定電流信號(hào)參考。

圖10 峰值電流模式架構(gòu)

COT調(diào)制技術(shù)

PWM頻率恒定，其在整個(gè)負(fù)載頻率范圍內(nèi)的紋波電壓和輸出噪聲都是非常低的，每個(gè)開(kāi)關(guān)管在切換的時(shí)候都會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗，特別是其在輕負(fù)載時(shí)，還保持較高的開(kāi)關(guān)頻率，開(kāi)關(guān)損耗比重加大，效率會(huì)降低。

圖11 DCM模式電感電流環(huán)示意

我們知道，當(dāng)負(fù)載電流非常小時(shí)，或者說(shuō)電感器的值小于臨界電感時(shí)，轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)就會(huì)工作在不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)。極端情況下，假設(shè)負(fù)載為0，轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)就會(huì)只轉(zhuǎn)換一次就不再工作。實(shí)際上，由于開(kāi)關(guān)電源的ESR，反饋回路等等形成的阻抗產(chǎn)生電路損耗。此時(shí)，控制MOSFEET的PWM脈沖寬度明顯小于正常連續(xù)開(kāi)通模式(CCM)的脈沖寬度。

圖12 DCM模式電感電壓與電流波形

同時(shí)，每個(gè)MOSFEET開(kāi)關(guān)管的切換時(shí)間，總是存在相對(duì)固定的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間，這就是開(kāi)關(guān)損耗。如果我們?cè)贒CM模式下，能降低開(kāi)關(guān)切換頻率。就會(huì)降低開(kāi)關(guān)損耗。

基于PFM的COT可以很好的解決上述難題，與傳統(tǒng)電壓/電流模式控制相比，恒定導(dǎo)通時(shí)間控制(COT)結(jié)構(gòu)則非常簡(jiǎn)單，它通過(guò)反饋電阻來(lái)采樣輸出電壓，然后將輸出電壓紋波谷值直接與參考電壓進(jìn)行對(duì)比，生成固定的導(dǎo)通時(shí)間脈沖來(lái)導(dǎo)通上管MOSFET。

圖13 COT核心控制機(jī)理

COT架構(gòu)無(wú)需傳統(tǒng)電壓/電流模式DC/DC控制中的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，只需要一個(gè)參考比較器輸出來(lái)觸發(fā)定時(shí)脈沖發(fā)生器。變換器的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，因?yàn)樵骷兊酶伲矡o(wú)需花費(fèi)很多時(shí)間來(lái)調(diào)整補(bǔ)償值。COT 變頻控制結(jié)構(gòu)在輕載時(shí)，脈沖頻率得到了進(jìn)一步的降低，可以保持較高的效率。COT架構(gòu)也存在一些缺點(diǎn)：首先，每次導(dǎo)通時(shí)間固定，頻率會(huì)隨占空比發(fā)生變化，針對(duì)這種情況，我們一般在電路上調(diào)整假負(fù)載，控制頻率因素。其次，COT架構(gòu)的另一個(gè)缺點(diǎn)，需要依靠FB引腳上的紋波調(diào)整占空比，輸出紋波很大。

多相交錯(cuò)并聯(lián)降壓技術(shù)

如果變換器的開(kāi)關(guān)頻率一致，并且在各變換器之間加一定的相移，可以減少輸入輸出電流紋波，這種稱(chēng)之為多相交錯(cuò)并聯(lián)降壓技術(shù)。

圖14 多相交錯(cuò)并聯(lián)移向技術(shù)架構(gòu)

多相交錯(cuò)并聯(lián)Buck型DCDC變換器是由多個(gè)變換器并聯(lián)，共同為負(fù)載提供電流。每個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率相同，相位錯(cuò)開(kāi)。

圖15多相交錯(cuò)并聯(lián)移向電流紋波

用交錯(cuò)并聯(lián)后電流由交錯(cuò)電流疊加，如果疊加相位匹配控制得好，電流紋波會(huì)隨相位增加而降低，電壓紋波也會(huì)相應(yīng)降低。

多相交錯(cuò)并聯(lián)COT架構(gòu)電源對(duì)于輕載、重載自由切換的大功率通信應(yīng)用場(chǎng)合意義十分重大，特別是5G通信電源，需要滿(mǎn)足超大射頻發(fā)射功率等應(yīng)用場(chǎng)景。

Microchip基于雙相交錯(cuò)先進(jìn)COT Buck電源的解決方案

Excelpoint世健代理的產(chǎn)品線(xiàn)Microchip推出基于雙相交錯(cuò)先進(jìn)恒定導(dǎo)通時(shí)間(COT)同步降壓控制器的MIC21LV33系列電源芯片。該芯片采用獨(dú)特的自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制架構(gòu)，支持超輕負(fù)載模式和切相功能?？刂撇糠植捎贸咚倏刂破?，在中等負(fù)載至重負(fù)載條件下支持超快速瞬態(tài)響應(yīng)。支持從外部通過(guò)電容編程軟啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)安全啟動(dòng)進(jìn)入重載模式。該芯片還集成一個(gè)遠(yuǎn)程檢測(cè)放大器，用于精確控制輸出電壓。

MIC21LV33提供全套保護(hù)功能，確保在故障狀態(tài)期間保護(hù)芯片。包括：電源電壓跌落條件下正常工作的欠壓鎖定、降低浪涌電流的可編程軟啟動(dòng)、過(guò)壓放電、“打嗝”模式短路保護(hù)、以及熱關(guān)斷。

MIC21LV33產(chǎn)品主要特征：

-輸入電壓范圍：4.5V——36V

-輸出電壓、電流：0.6V——28V，最低0.6V，精度±1%。最大輸出電流：50A。

-開(kāi)關(guān)頻率范圍：100kHz——1MHz/Phase

-MIC21LV33集成遠(yuǎn)程檢測(cè)放大器，用于精確控制輸出電壓。

-封裝：32腳 5mm x 5mm VQFN

-溫度范圍：-40℃——125℃。

圖16 MIC21LV33 評(píng)估板

MIC21LV33該產(chǎn)品可應(yīng)用于：分布式電源系統(tǒng)、通信/網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、打印機(jī)、掃描儀、視頻設(shè)備、以及FPGA/CPU/MEM/GPU內(nèi)核電源。該產(chǎn)品可以支持最大8相堆疊，電流輸出高達(dá)200A。滿(mǎn)足各種應(yīng)用場(chǎng)景，Excelpoint世健可提供相應(yīng)技術(shù)指導(dǎo)及樣品支持。