采用超低功耗、降壓DC-DC穩(wěn)壓器ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303設(shè)計反相電源

簡介

某些應(yīng)用，例如雙極性放大器、光模塊、電荷耦合器件(CCD)偏置等，通常需要通過正 輸入電壓來提供負輸出電壓。 電源管理系統(tǒng)的設(shè)計人員需要多功能開關(guān)控制器和穩(wěn)壓器，以便解決這些 電源管理挑戰(zhàn)。ADI公司的超 低功耗、降壓 DC-DC穩(wěn)壓器ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303，提供超低 靜態(tài)電流、同步降壓功能。這些穩(wěn)壓器的輸入電源電壓范圍為2.15 V至6.50 V，可降壓至0.8 V，并提供最高500 mA的輸出電流。

雖然ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303是針對同步降壓應(yīng)用而設(shè)計，但這些器件的多功能性使得它們能夠在不增加成本、外部元件數(shù)量和解決方案尺寸的情況下實現(xiàn)反相降壓/升壓 拓撲結(jié)構(gòu)，進而通過正輸入電壓產(chǎn)生負輸出電壓。

超低 功耗技術(shù)使得ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303能夠在輕負載工作條件下采用遲滯模式實現(xiàn)高效率。這些器件還可在脈寬調(diào)制(PWM)模式下工作，實現(xiàn)低噪聲性能和重負載操作。

本應(yīng)用筆記介紹如何在同步反相降壓/升壓 拓撲結(jié)構(gòu)中實施ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303，以便從正輸入電源產(chǎn)生負輸出電壓。本應(yīng)用筆記還討論了降壓/升壓拓撲結(jié)構(gòu)的一些限制和可能的解決方案。

降壓/升壓拓撲結(jié)構(gòu)基本原理

圖1顯示了簡化的降壓/升壓拓撲結(jié)構(gòu)。它由一個電感、兩個彼此錯相的電源開關(guān)、一個輸入電容和一個輸出電容組成。

圖2和圖3分別是S1接通時和S1斷開時的電流流向圖。接通時，開關(guān)S1導通，開關(guān)S2斷開，電流從輸入電容流出，給電感充電，輸出電容則向負載提供能量。斷開時，開關(guān)S1斷開，開關(guān)S2導通，電流從電感流向負載，同時給輸出電容充電。

注意，電流從接地端流向VOUT，從而產(chǎn)生負輸出電壓。

通過對該拓撲結(jié)構(gòu)應(yīng)用電感伏秒平衡和電容電荷平衡原理，可寫出穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換比，如方程1所示。方程2指定了PWM模式下的直流電感電流值IL。方程3給出了電感紋波電流ΔIL。

其中：

VOUT為輸出電壓。

VIN為輸入電壓。

D為占空比：

IOUT為輸出電流。

L為電感值。

fSW為開關(guān)頻率。

利用ADP5300至ADP5303實現(xiàn)降壓/升壓拓撲結(jié)構(gòu)

利用同步降壓穩(wěn)壓器ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303實現(xiàn)降壓/升壓拓撲結(jié)構(gòu)反相電源應(yīng)用時，應(yīng)考慮表1所列的設(shè)計限制。

表1.利用ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303實現(xiàn)降壓/升壓拓撲結(jié)構(gòu)的設(shè)計限制

降壓/升壓電路的最低輸入電壓必須高于ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303的UVLO電壓，穩(wěn)壓器工作的典型UVLO值為2.06 V。最大輸入電壓與輸出電壓絕對值之和必須小于穩(wěn)壓器的最大工作輸入電壓，其典型值為6.50 V。為使電路正常工作，確保電感峰值電流小于穩(wěn)壓器的最低限流觸發(fā)點。

圖4.利用ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303實現(xiàn)反相降壓/升壓拓撲結(jié)構(gòu)

為了將同步降壓穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為降壓/升壓拓撲結(jié)構(gòu)，電感和輸出電容須按照在降壓拓撲結(jié)構(gòu)中的方式連接。注意，接地點和輸出電壓點反相(參見圖4)。輸出電壓與降壓拓撲結(jié)構(gòu)相同，由外部VID電阻設(shè)置。電阻值參見表2。

表2.通過VID引腳選擇輸出電壓(VOUT)

電感選擇

電感值取決于工作頻率、輸入電壓和電感紋波電流?？紤]到電感峰值電流，建議采用比降壓拓撲結(jié)構(gòu)所用電感更大的電感。然而，電感值不能過大，以免影響環(huán)路穩(wěn)定性。為避免過早產(chǎn)生電流限制，應(yīng)確保電感峰值電流不超過最低峰值限流閾值(PWM模式下為ILIM_PWM，遲滯模式下為ILIM_HYS)。

電感峰值電流等于電感平均電流與峰峰值電感紋波電流的一半之和。

考慮到電感峰值電流，對于PWM模式和遲滯模式下的常用輸入電壓，反相降壓/升壓拓撲結(jié)構(gòu)中ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303的負載電流能力分別如圖5和圖6所示，假設(shè)電感值為4.7 μH，開關(guān)頻率為2 MHz。

圖5.針對PWM模式下的常用輸入電壓的負載電流能力

圖6.針對遲滯模式下的常用輸入電壓的負載電流能力

電感的飽和電流必須大于電感峰值電流。對于具有快速飽和特性的鐵氧體磁芯電感，電感飽和電流額定值必須大于開關(guān)的限流閾值，以防止電感在正常工作時發(fā)生飽和。

輸出電容選擇

注意，輸出電流在反相降壓/升壓拓撲結(jié)構(gòu)中是非連續(xù)的。在接通時，隨著電感中儲存的能量增加，輸出電容向負載提供能量。在斷開時，電感同時向負載和輸出電容提供能量。

輸出電容值的一個主要問題是容許的輸出電壓紋波，它取決于輸出電容的兩個參數(shù)。一個是電容值，另一個是輸出電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)。以下方程提供了讓輸出電壓紋波保持在容許范圍內(nèi)所需的最小電容估算值(COUT)：

其中：

ΔVRIPPLE為容許的輸出紋波電壓。

ESR為輸出電容的總等效串聯(lián)電阻。

IPEAK為電感峰值電流。

為了實現(xiàn)盡可能低的輸出紋波電壓，建議使用ESR值非常低的多層陶瓷電容(MLCC)。所選輸出電容的均方根電流額定值必須大于下式計算值：

輸入電容選擇

在反相降壓/升壓拓撲結(jié)構(gòu)中，輸入電流也是非連續(xù)的。假設(shè)在電源接通時輸入電容能量損耗所引起的輸入電壓偏差小于輸入電壓的5%，則通過下式可計算滿足此要求所需的最小輸入電容(CIN)：

其中：

IAVG為電感平均電流。

為輸入電容的等效串聯(lián)電阻。

建議至少使用一個10 µF陶瓷電容，而且其必須盡可能靠近PVIN引腳放置。所選輸入電容的電流均方根值必須大于下式計算值：

雖然輸入電壓軌上的大多數(shù)電容都以系統(tǒng)接地為基準，但在輸入電壓與ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303的PGND引腳之間再放置一個輸入去耦電容可以減小輸出電壓紋波，并改善瞬態(tài)響應(yīng)性能，如圖7所示。

圖7.PVIN與PGND引腳之間連接輸入去耦電容的反相降壓/升壓拓撲結(jié)構(gòu)

使能信號電平轉(zhuǎn)換

ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303有一個EN引腳，用于使能和禁用穩(wěn)壓器。然而，在反相降壓/升壓應(yīng)用中，IC以負輸出電壓(而不是系統(tǒng)接地)為基準。如果試圖禁用穩(wěn)壓器而將EN引腳連接至系統(tǒng)接地點，結(jié)果有可能是ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303仍在工作。

為此，可能的解決方案之一是使用超低功耗反相器、P型金屬氧化物 半導體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和電阻，并通過合理連接形成EN電平轉(zhuǎn)換電路，如圖8所示。

圖8.反相降壓/升壓拓撲結(jié)構(gòu)的EN電平轉(zhuǎn)換電路

注意，使用電平轉(zhuǎn)換電路時，ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303的精確使能特性不復存在。如果不需要使能功能，只需將EN引腳連接到輸入電壓，如圖8所示。

啟動前降低VOUT斜升

利用同步降壓穩(wěn)壓器實現(xiàn)反相降壓/升壓拓撲結(jié)構(gòu)時，一個常見問題是輸出電壓可能斜升，并在穩(wěn)壓器開始工作前變?yōu)檎妷?參見圖9)。

圖9.啟動前VOUT斜升

造成這種正輸出電壓斜升的原因是穩(wěn)壓器的關(guān)斷電流，此電流從IC的PGND引腳經(jīng)過低端MOSFET的體二極管，再回到系統(tǒng)接地點，如圖10所示。低端MOSFET的體二極管將VOUT箝位在體二極管的正向電壓水平，其典型值通常在180 mV左右，因為ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303關(guān)斷電流非常小。

圖10.電流經(jīng)過低端MOSFET的體二極管

VOUT連接至穩(wěn)壓器的PGND引腳，該引腳實際上是UVLO等內(nèi)部電路的基準點，因此PGND引腳上的正電壓會降低UVLO閾值電壓。輸入電壓非常接近穩(wěn)壓器的UVLO閾值電壓(典型值為2.06 V)時，穩(wěn)壓器可能無法啟動。

當用于實施本應(yīng)用筆記所述的反相降壓/升壓拓撲結(jié)構(gòu)時，幾乎所有同步降壓穩(wěn)壓器都會出現(xiàn)此問題，很難徹底消除。

結(jié)論

在反相降壓/升壓拓撲結(jié)構(gòu)中實施ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303的方案可以像降壓方案一樣簡單、經(jīng)濟、小巧。當需要使能/禁用功能時，本應(yīng)用筆記提供了一個簡單的EN電平轉(zhuǎn)換電路。本應(yīng)用筆記還探討了在反相降壓/升壓拓撲結(jié)構(gòu)中應(yīng)用同步降壓穩(wěn)壓器時出現(xiàn)的VOUT斜升至正電壓的問題。

系統(tǒng)設(shè)計人員遵循本應(yīng)用筆記中的設(shè)計方程和建議，就能確保設(shè)計出穩(wěn)健且滿足所有要求的方案。