在系統(tǒng)中成功運(yùn)用 DC-DC降壓調(diào)節(jié)器

智能手機(jī)、平板電腦、數(shù)碼相機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備和其它低功耗便攜式設(shè)備常常包含多個采用不同半導(dǎo)體工藝制造的集成電路。這些設(shè)備通常需要多個獨(dú)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(yùn)用低壓差調(diào)節(jié)器(LDO)。不過，當(dāng)VIN遠(yuǎn)高于 VOUT時，未輸送到負(fù)載的功率會以熱量形式損失，導(dǎo)致LDO 效率低下。一種常見的替代方案是采用開關(guān)轉(zhuǎn)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(fù)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(yùn)行。本文介紹降壓型轉(zhuǎn)換器，它提供較低的輸出電壓。升壓型轉(zhuǎn)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(guān)的開關(guān)轉(zhuǎn)換器稱為開關(guān)調(diào)節(jié)器，需要外部FET的開關(guān)轉(zhuǎn)換器則稱為開關(guān)控制器。多數(shù)低功耗系統(tǒng)同時運(yùn)用 LDO和開關(guān)轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)成本和性能目標(biāo)。

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(guān)、2 個電容和 1 個電感，如圖 2 所示。非交疊開關(guān)驅(qū)動機(jī)制確保任一時間只有一個開關(guān)導(dǎo)通，避免發(fā)生不良的電流“直通”現(xiàn)象。在第 1 階段，開關(guān)B斷開，開關(guān)A閉合。電感連接到VIN，因此電流從VIN流到負(fù)載。由于電感兩端為正電壓，因此電流增大。在第 2 階段，開關(guān)A斷開，開關(guān)B閉合。電感連接到地，因此電流從地流到負(fù)載。由于電感兩端為負(fù)電壓，因此電流減小，電感中存儲的能量釋放到負(fù)載中。

圖 2. 降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作波形
注意，開關(guān)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(dǎo)通以連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)工作時，電感電流不會降至 0；以斷續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)工作時，電感電流可以降至 0。低功耗降壓轉(zhuǎn)換器很少在斷續(xù)導(dǎo)通模式下工作。設(shè)計的,電流紋波（如圖 2中的ΔI 所示）通常為標(biāo)稱負(fù)載電流的 20%到 50%。
在圖 3 中，開關(guān) A 和開關(guān) B 分別利用 PFET 和 NFET 開關(guān)實現(xiàn)，構(gòu)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(guān)。用肖特基二極管代替低端開關(guān)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(dāng)電感電流達(dá)到 0 時，如果底部 FET 未釋放，同步轉(zhuǎn)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(fù)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(guān) 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(fù)載提高功率的有效方式。

FET 開關(guān)由脈寬控制器控制，后者響應(yīng)負(fù)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(zhuǎn)換器的工作頻率范圍一般是 1 MHz 到 6 MHz。開關(guān)頻率較高時，所用的電感可以更小，但開關(guān)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(qū)動圖形處理器的降壓轉(zhuǎn)換器的負(fù)載電流也會改變。連續(xù) PWM 工作模式可以處理寬范圍的負(fù)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(fù)載的總功率的較大比例，導(dǎo)致系統(tǒng)效率迅速降低。針對便攜應(yīng)用，降壓調(diào)節(jié)器集成了其它省電技術(shù)，如脈沖頻率調(diào)制(PFM)、脈沖跳躍或這兩者的結(jié)合等。
ADI公司將高效率輕載工作模式定義為“省電模式”(PSM)。進(jìn)入省電模式時，PWM調(diào)節(jié)電平會產(chǎn)生偏移，導(dǎo)致輸出電壓上升，直至它達(dá)到比PWM調(diào)節(jié)電平高約 1.5%的電平，此時 PWM工作模式關(guān)閉，兩個功率開關(guān)均斷開，器件進(jìn)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(qū)動電感，導(dǎo)致VOUT再次上升到閾值上限。只要負(fù)載電流低于省電模式電流閾值，此過程就會重復(fù)進(jìn)行。
ADP2138 是一款緊湊型 800 mA、3 MHz、降壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。圖 4所示為典型應(yīng)用電路。圖 5顯示了強(qiáng)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(qiáng)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(shè)置任一工作模式，也可以根據(jù)需要而動態(tài)切換，以達(dá)到省電目的。

圖 4. ADP2138/ADP2139典型應(yīng)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(shè)備設(shè)計高度關(guān)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(qū)動一個 500 mA負(fù)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(dǎo)致手持式設(shè)備的溫度迅速上升。如果使用ADP2138 開關(guān)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(shè)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(guān)調(diào)節(jié)器大量運(yùn)用于便攜式設(shè)備。

降壓轉(zhuǎn)換器關(guān)鍵規(guī)格和定義
輸入電壓范圍：降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍決定了最低的可用輸入電源電壓。規(guī)格可能提供很寬的輸入電壓范圍，但VIN 必須高于VOUT才能實現(xiàn)高效率工作。例如，要獲得穩(wěn)定的 3.3 V輸出電壓，輸入電壓必須高于 3.8 V。
地電流或靜態(tài)電流：IQ是未輸送給負(fù)載的直流偏置電流。器件的IQ越低，則效率越高。然而，IQ可以針對許多條件進(jìn)行規(guī)定，包括關(guān)斷、零負(fù)載、PFM工作模式或PWM工作模式。因此，為了確定某個應(yīng)用的最佳降壓調(diào)節(jié)器，最好查看特定工作電壓和負(fù)載電流下的實際工作效率數(shù)據(jù)。
關(guān)斷電流： 這是使能引腳禁用時器件消耗的輸入電流，對低功耗降壓調(diào)節(jié)器來說通常遠(yuǎn)低于 1µA。這一指標(biāo)對于便攜式設(shè)備處于睡眠模式時電池能否具有長待機(jī)時間很重要。
輸出電壓精度： ADI 公司的降壓轉(zhuǎn)換器具有很高的輸出電壓精度，固定輸出器件在工廠制造時就被精確調(diào)整到±2%之內(nèi)（25°C）。輸出電壓精度在工作溫度、輸入電壓和負(fù)載電流范圍條件下加以規(guī)定，最差情況下的不精確性規(guī)定為±x%。
線路調(diào)整率： 線路調(diào)整率是指額定負(fù)載下輸出電壓隨輸入電壓變化而發(fā)生的變化率。
負(fù)載調(diào)整率： 負(fù)載調(diào)整率是指輸出電壓隨輸出電流變化而發(fā)生的變化率。對于緩慢變化的負(fù)載電流，大多數(shù)降壓調(diào)節(jié)器都能保持輸出電壓基本上恒定不變。
負(fù)載瞬變：如果負(fù)載電流從較低水平快速變化到較高水平，導(dǎo)致工作模式在 PFM 與 PWM 之間切換，或者從 PWM 切換到 PFM，就可能產(chǎn)生瞬態(tài)誤差。并非所有數(shù)據(jù)手冊都會規(guī)定負(fù)載瞬變，但大多數(shù)數(shù)據(jù)手冊都會提供不同工作條件下的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)曲線。
限流：ADP2138 等降壓調(diào)節(jié)器內(nèi)置保護(hù)電路，限制流經(jīng) PFET 開關(guān)和同步整流器的正向電流。正電流控制限制可從輸入端流向輸出端的電流量。負(fù)電流限值防止電感電流反向并流出負(fù)載.
軟啟動：內(nèi)部軟啟動功能對于降壓調(diào)節(jié)器非常重要，它在啟動時控制輸出電壓緩升，從而限制浪涌電流。這樣，當(dāng)電池或高阻抗電源連接到轉(zhuǎn)換器輸入端時，可以防止輸入電壓下降。器件使能后，內(nèi)部電路開始上電周期。
啟動時間是指使能信號的上升沿至VOUT達(dá)到其標(biāo)稱值的 90%的時間。這個測試通常是在施加VIN、使能引腳從斷開切換到接通的條件下進(jìn)行。在使能引腳連接到VIN的情況下，當(dāng)VIN從關(guān)斷切換到開啟時，啟動時間可能會大幅增加，因為控制環(huán)路需要一定的穩(wěn)定時間。在調(diào)節(jié)器需要頻繁啟動和關(guān)閉以節(jié)省功耗的便攜式系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的啟動時間是一個重要的考慮因素.
熱關(guān)斷(TSD)： 當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度超過規(guī)定的限值時，熱關(guān)斷電路就會關(guān)閉調(diào)節(jié)器。極端的結(jié)溫可能由工作電流高、電路板冷卻不佳或環(huán)境溫度高等原因引起。保護(hù)電路包括一定的遲滯，防止器件在芯片溫度降至預(yù)設(shè)限值以下之前返回正常工作狀態(tài)。
100%占空比工作： 隨著VIN下降或ILOAD上升，降壓調(diào)節(jié)器會達(dá)到一個限值：即使PFET開關(guān)以 100%占空比導(dǎo)通，VOUT仍低于預(yù)期的輸出電壓。此時，ADP2138 平滑過渡到可使PFET 開關(guān)保持 100%占空比導(dǎo)通的模式。當(dāng)輸入條件改變時，器件立即重新啟動PWM調(diào)節(jié)，VOUT不會過沖。
放電開關(guān)： 在某些系統(tǒng)中，如果負(fù)載非常小，降壓調(diào)節(jié)器的輸出可能會在系統(tǒng)進(jìn)入睡眠模式后的一定時間內(nèi)仍然保持較高水平。然而，如果系統(tǒng)在輸出電壓放電之前啟動上電序列，系統(tǒng)可能會發(fā)生閂鎖，或者導(dǎo)致器件受損。當(dāng)使能引腳變?yōu)榈碗娖交蚱骷M(jìn)入欠壓閉鎖/熱關(guān)斷狀態(tài)時，ADP2139 降壓調(diào)節(jié)器通過集成的開關(guān)電阻（典型值 100 Ω）給輸出放電。
欠壓閉鎖: 欠壓閉鎖(UVLO)可以確保只有在系統(tǒng)輸入電壓高于規(guī)定閾值時才向負(fù)載輸出電壓。UVLO 很重要，因為它只在輸入電壓達(dá)到或超過器件穩(wěn)定工作要求的電壓時才讓器件上電.
結(jié)束語
低功耗降壓調(diào)節(jié)器使開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計不再神秘。ADI 公司提供一系列高集成度、堅固耐用、易于使用、高性價比的降壓調(diào)節(jié)器，只需極少的外部元件就能實現(xiàn)高工作效率。系統(tǒng)設(shè)計師可以使用數(shù)據(jù)手冊應(yīng)用部分提供的設(shè)計計算，或者使用 ADIsimPower™ 設(shè)計工具