為便攜設備供電的創(chuàng)新型雙輸出LDO電源解決方案

引言
在現代應用中，傳統(tǒng)的低壓降穩(wěn)壓器（LDO）正逐漸被開關電 源（SMPS）所取代。雖然LDO是一個成本低廉而且強固耐用的電源解決方案，但是它耗電很大。越來越多的便攜設備廠商，像數碼相機、手機、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。
 
STw4141是一個創(chuàng)新的開關電源，只使用一個外接線圈就能產生兩個獨立的輸出電壓。因為其內在的開關特性，這個芯片的效率很高，而且所需的外部組件數量極少。該產品的效率可以與兩個獨立的開關電源媲美，尺寸相當于兩個獨立的LDO電源。因此，能夠取代便攜設備中的線性電源，或者縮減開關穩(wěn)壓器的物理尺寸和成本。
 
工作原理
先簡要地了解一下傳統(tǒng)的降壓直流-直流轉換器，STw4141創(chuàng)新的雙輸出拓撲就是源自這種設計。圖1是一個簡單的降壓轉換器的電路示意圖，圖2是其線圈電流的波形。降壓轉換器拓撲組件包括PMOS和NMOS組成的功率級、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，占空比為D1.。當PMOS晶體管導通時，線圈電流開始上升，斜率為：
 
（1） 當NMOS晶體管導通時，線圈電流開始下降，斜率為：

　　圖1 降壓拓撲
（2） 在穩(wěn)態(tài)過程中，下列條件必須有效：
 
（3）公式3是指每個時鐘周期開始時的線圈電流IL必須等于每個時鐘周期結束時的線圈電流IL（否則系統(tǒng)不是穩(wěn)態(tài)）。從這個條件，我們可以得出降壓轉換器的占空比公式。
 
（4） 公式4指線圈產生的總電量必須等于負載消耗的總電量，假設所有的開關和RDSon損耗忽略不計。

　　圖 2 線圈電流波形
 
對于雙輸出拓撲，在STw4141穩(wěn)壓器中，線圈產生的電流分配給兩個輸出端，從這兩個輸出端口獲得的負載電流可以（實際上總是）完全不相關。因此，公式4的穩(wěn)態(tài)條件必須改寫成：
 
（6） 其中，Iload1 是負載從輸出1汲取的電流，Iload2 是負載從輸出2汲取的電流。
 

　　圖 3 STw4141拓撲
 
為了按照公式6分配電量，系統(tǒng)就需要增加兩個開關MOS1和MOS2，如圖3所示。當MOS1導通時，線圈內貯存的電量就會傳送到輸出1；當MOS2導通時，線圈內貯存的電量就會傳送到輸出2。MOS1和MOS2以類似于PMOS和NMOS的1/T頻率反相開關，而占空比D2.不同于PMOS和NMOS的D1。可以說占空比D1是測量系統(tǒng)能夠傳輸的總電能的標準，而占空比D2則是測量兩個輸出之間分配 的總電能的標準。值得注意的最重要因素是，該系統(tǒng)只需一個線圈。
 
圖4是雙輸出拓撲線圈電流的波形。與傳統(tǒng)的降壓轉換器不同，雙輸出拓撲有三個主要相位：（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[!--empirenews.page--]
性能
提高效率的措施包括同步整流、采用脈頻調制PFM模式、最大限度降低RDSon功耗和先進的內部啟用/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，導致功耗降低。
 
（7） 線圈內的電流可能會逆轉是同步整流技術已知的缺點，這會導致功耗增加。STw4141解決了這個難題，方法是當IL=0時，將NMOS晶體管關斷，預防線圈內電流回流。STw4141的同步整流方法在中等負載條件下極大地提高了效率。
 
在負載極低時，通過進入PFM模式，效率得到進一步提高。在PFM模式下，功率轉換不再與內置振蕩器同步，而是根據需求量向輸出端傳送電能。功率級換向頻率最小化，再加上禁用PFM模式下無用的內部振蕩器，使STw4141變得更加省電，如圖5所示。 STw4141能夠自動選擇模式，無需用戶介入即可實現最佳的效率。
 

　　圖 5 效率特性
 
PFM模式的使用方式取決于芯片的應用場合。因為在PFM模式下功率轉換是異步的，電磁輻射可能會 在應用敏感的頻率下產生頻譜噪聲。如果存在這種制約因素，那么可以使用兩種方法進行配置：PFM模式完全禁用；用戶可以覆蓋自動開關，強制進入工作模式。 設計人員利用覆蓋功能可以設計一個既節(jié)能省電又無頻譜干擾的電源系統(tǒng)。在待機模式下，任務時段性完成95%過程的應用處理器是這種系統(tǒng)的一個實例，因為這 種處理器還必須在待機模式下保存數據，所以可以用待機模式供電。在收到處理器喚醒信號前幾微秒內，芯片被強制進入脈寬調制模式（PWM），并且保持這種模 式一直到高級系統(tǒng)使處理器返回到睡眠模式為止。
 
附加功能
頻譜干擾是一個問題，可能存在于敏感應用中，業(yè)內一直在研究這個現象。一份研究報告顯示，在實際應用中，某些頻率是應該避免的，而其它頻率并不影響整個系統(tǒng)。STw4141內部振蕩器（考慮到它的頻譜）的頻率可能在有害頻帶內?；谶@個原因，配備了鎖 相環(huán)（PLL），允許用戶在有害頻帶以外的寬頻范圍內同步內部振蕩器。鎖相環(huán)還可以抑制內置振蕩器的頻譜，使STw4141與系統(tǒng)的其它組件同步。
 
高壓輸出Vout1通常用于I/O引腳結構（VIO），低壓輸出Vout2通常用于數字核心 （VCORE）。為了支持多種處理器，可以提供VIO電壓不同和VCORE電壓范圍1.0V到1.8V的多種產品。用戶可以通過專用引腳設置輸出電壓。這個功能在通過降低進入睡眠模式的應用處理器電源電壓來節(jié)省電能的應用場合十分有用。VCORE控制可以和前文提到的模式控制（PWM/PFM）配合使用， 但是兩者之間存在很大的不同：VCORE控制可降低應用處理器的功耗，而模式控制可降低芯片的功耗。兩項功能都可降低整個應用系統(tǒng)的功耗。
 
此外，STw4141具有峰值電流限制和熱保護功能，峰流限制功能不僅用于保護芯片本身，而且還限制芯片從電池汲取的電流。因為電池內部串聯電阻的原因，從電池汲取過多的電流可能會使電池電壓產生很大的變化。
 
典型應用
導致STw4141降低尺寸及成本的最重要因素是只需一個外部線圈，而普通電源則需要兩個。圖6所 示是推薦的外部組件布局，這是一塊為完整應用設計的面積僅為7 x 8 mm的電路板。在這個設計中，線圈是體積最大的組件，同時節(jié)省電路板空間也正是這個組件，其次， BGA封裝也在節(jié)省電路板空間上發(fā)揮了重要作用。
 

　　圖6 STw4141應用電路板

　　圖 7 典型應用
STn8810多媒體應用處理器 （NOMADIK）以及STV0984 + VS6750圖像處理器和200萬像素CMOS圖像傳感器的共性是，數字核心電壓（VCORE）與I/O引腳電源電壓（VIO）的要求不同。圖7是一個 CMOS相機應用的電路示意圖，VCORE電壓（1.2 V）供給數字核心STV0984，而VIO電壓（1.8V）用于供給VS6750以及STV0984的I/O結構。這樣的布局設計使得應用電路板的尺寸極 其緊湊。