基于電子設備的處理器系統設計人員經(jīng)常會(huì )在為他們的應用選擇最佳電源架構時(shí)遇到困難。有時(shí)最佳的解決方案是插入式電源。而有時(shí)采用由分立的元件組成的電源才是最佳的解決方案。選擇插入式電源解決方案相對來(lái)說(shuō)比較直接，但對于缺乏電源設計經(jīng)驗的數字設計人員來(lái)說(shuō)，設計一個(gè)分立電源解決方案可能會(huì )使他望而卻步。大多 DC/DC 電源控制 IC 供應商均可提供詳細的輔助材料來(lái)幫助電路設計。但是，在開(kāi)始電源設計之前，設計人員必須選擇正確的拓撲。本文將提供以下指導原則來(lái)幫助為某些用于微控制器、數字信號處理器（DSP）及基于 FPGA 的電子產(chǎn)品的最常用結構選擇正確的電源拓撲。
線(xiàn)性調節器／控制器
線(xiàn)性調節器是最簡(jiǎn)單的轉換器。線(xiàn)性調節器只是把高輸入電壓降低為低輸出電壓，其輸入電流等于輸出電流。線(xiàn)性調節器由誤差放大器、參考電壓及路徑元件組成。它可以進(jìn)行完全集成，也可以由控制 IC與外部路徑元件構成。路徑元件可以是雙極晶體管或 MOSFET。線(xiàn)性調節器的優(yōu)點(diǎn)在于其簡(jiǎn)易性與相對無(wú)噪聲／波紋的輸出電壓。線(xiàn)性調節器需要的唯一無(wú)源輔助元件是輸入與輸出電容器。其主要缺點(diǎn)是，對于輸入／輸出壓差較大的應用來(lái)說(shuō)，效率極低。功率是以散熱的形式損耗的，因此，如果應用具有較大輸出電流的話(huà)，調節器封裝的功耗要求會(huì )很高。由于可以選擇路徑元件來(lái)提供更高的電流及適當的散熱量，因此在高電流電平時(shí)，采用外部路徑元件的線(xiàn)性調節器只有少許優(yōu)勢。
線(xiàn)性調節器的另一個(gè)限制是它要求具備最低輸入－輸出壓差或壓降，以便保持調節。即使在高電流電平時(shí)，許多采用內部路徑元件的最新調節器仍然具有極低的壓降，因此能夠以極低的輸入電壓運行。例如，采用 1.5V 固定輸出電壓的德州儀器 (TI) TPS72515 就可在僅 1.8V 下以 750mA 輸出電流運行，因此可達到83％的效率。
無(wú)感應器的 DC/DC 轉換器
開(kāi)關(guān)調節器在分立的包中把能量從輸入移動(dòng)到輸出。感應器或電容器可作為能量存儲單元將能量從電源電路的輸入移動(dòng)到輸出。與只能降低電壓的線(xiàn)性調節器不同，這些轉換器可以升高、降低或轉換輸入電壓。另外，能量存儲單元可實(shí)現不相等的輸入／輸出電流。例如，開(kāi)關(guān)調節器可將 5V 的低電流電源降低為 3.3V 的高電流電源，或者把 3.3V 的高電流電源升高為 5V 的低電流電源。因此，這些轉換器可以達到比線(xiàn)性調節器高得多的效率。
最簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)調節器是“無(wú)感應器”開(kāi)關(guān) DC/DC 轉換器，有時(shí)候又稱(chēng)為充電泵。充電泵采用多個(gè)開(kāi)關(guān)及電容器把電荷通過(guò)一個(gè)或多個(gè)"飛速"電容器從輸入電源移動(dòng)到輸出電容器。這種轉換器的主要優(yōu)點(diǎn)在于設計簡(jiǎn)單并具有高效性。圖1顯示了 TPS60130 300mA、無(wú)感應器開(kāi)關(guān)電容器的效率曲線(xiàn)。
圖1：無(wú)感應器開(kāi)關(guān)轉換器效率曲線(xiàn)示例
為了在大輸入－輸出電壓范圍內實(shí)現更高的效率，轉換器可以在乘法模式（如：1.5X、2X 等）之間切換。乘法模式的改變會(huì )造成圖1效率曲線(xiàn)中步進(jìn)的改變。如果沒(méi)有反饋調節的話(huà)，這種轉換器只能以成倍的輸入電壓提供輸出電壓。因此，存在不同的反饋調節方法來(lái)提供不同的輸出電壓。每種反饋方法都會(huì )不同地影響轉換器的效率與波紋，因此應根據應用的需要進(jìn)行選擇。
基于感應器的 DC/DC 轉換器
基于感應器的開(kāi)關(guān)轉換器 IC 包含控制電路與至少一個(gè)集成開(kāi)關(guān)，而開(kāi)關(guān)控制器 IC 只有控制電路且需要外部開(kāi)關(guān)。帶有外部開(kāi)關(guān)且基于感應器的開(kāi)關(guān)轉換器與控制器的輸出電流范圍比無(wú)感應器的轉換器更廣泛。還存在幾種其他配置，其中一些配置是上述基本降壓、升壓及反向轉換器的簡(jiǎn)單組合，因此為特定應用提供了更多功能或更高的性能。所有這些開(kāi)關(guān)轉換器均至少將一個(gè)感應器用作儲能單元與輸出電容器。大負載范圍的高效性是開(kāi)關(guān)轉換器與線(xiàn)性調節器及無(wú)感應器開(kāi)關(guān)轉換器相比的主要優(yōu)勢。圖2說(shuō)明了 TPS62200 降壓轉換器的效率曲線(xiàn)。
圖2：TPS62200 降壓轉換器的效率曲線(xiàn)。
開(kāi)關(guān)轉換器的主要缺點(diǎn)是成本（包含設計時(shí)間、元件數及板尺寸），以及輸出噪聲／波紋。設計時(shí)間包括檢查各種配置、開(kāi)關(guān)方式、操作模式以及反饋控制方案等，其中每種都會(huì )有較高的成本、效率及輸出噪聲影響。限制成本、最小化板面積及提供高效率與低波紋的關(guān)鍵還在于選擇外部元件，包括感應器、輸出電容器、以及可能用于外部開(kāi)關(guān)的二極管或 FETS。所有這些設計選擇都使開(kāi)關(guān)轉換器黯然失色，但是它能夠提供高效率，某些情況下甚至高達95％以上，這就彌補了設計時(shí)間和元件成本的劣勢。
針對應用而選擇最佳的分立 DC/DC 轉換器成為了成本、效率、以及輸出噪聲或波紋之間的一種權衡。表1根據4個(gè)因素對比了各種轉換器：最高輸出電流、效率、輸出波紋／噪聲及總成本。
表1：轉換器拓撲的相對比較
-----1 如果可從比控制 IC 更低的軌電壓中驅動(dòng)路徑元件便可得以提高，并因此可進(jìn)行降壓操作。
-----2 如果以成本及效率為代價(jià)在輸出中增加第二個(gè)輸出濾波器或添加一個(gè)線(xiàn)性調節器就可以得到提高。
一旦選擇了 DC/DC 轉換器拓撲，設計人員就可以利用制造商提供的設計輔助材料來(lái)選擇能夠實(shí)現最高效率、最低成本或最低輸出噪聲及波紋的轉換器設計。 |
