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為便攜設備供電的創(chuàng )新型雙輸出LDO電源解決方案

文章來(lái)源：更新時(shí)間：2015/8/6 9:02:00

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引言
在現代應用中，傳統的低壓降穩壓器（LDO）正逐漸被開(kāi)關(guān)電源（SMPS）所取代。雖然LDO是一個(gè)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(lái)越多的便攜設備廠(chǎng)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(kāi)關(guān)解決方案的大小，即電源的物理尺寸，通常是這些廠(chǎng)商無(wú)法逾越的障礙。

STw4141是一個(gè)創(chuàng )新的開(kāi)關(guān)電源，只使用一個(gè)外接線(xiàn)圈就能產(chǎn)生兩個(gè)獨立的輸出電壓。因為其內在的開(kāi)關(guān)特性，這個(gè)芯片的效率很高，而且所需的外部組件數量極少。該產(chǎn)品的效率可以與兩個(gè)獨立的開(kāi)關(guān)電源媲美，尺寸相當于兩個(gè)獨立的LDO電源。因此，能夠取代便攜設備中的線(xiàn)性電源，或者縮減開(kāi)關(guān)穩壓器的物理尺寸和成本。

工作原理
先簡(jiǎn)要地了解一下傳統的降壓直流-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(gè)簡(jiǎn)單的降壓轉換器的電路示意圖，圖2是其線(xiàn)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(xiàn)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(kāi)關(guān)，占空比為D1.。當PMOS晶體管導通時(shí)，線(xiàn)圈電流開(kāi)始上升，斜率為：

（1）當NMOS晶體管導通時(shí)，線(xiàn)圈電流開(kāi)始下降，斜率為：

　　圖1 降壓拓撲
（2）在穩態(tài)過(guò)程中，下列條件必須有效：

（3）公式3是指每個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始時(shí)的線(xiàn)圈電流IL必須等于每個(gè)時(shí)鐘周期結束時(shí)的線(xiàn)圈電流IL（否則系統不是穩態(tài)）。從這個(gè)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(xiàn)圈產(chǎn)生的總電量必須等于負載消耗的總電量，假設所有的開(kāi)關(guān)和RDSon損耗忽略不計。

　　圖 2 線(xiàn)圈電流波形

對于雙輸出拓撲，在STw4141穩壓器中，線(xiàn)圈產(chǎn)生的電流分配給兩個(gè)輸出端，從這兩個(gè)輸出端口獲得的負載電流可以（實(shí)際上總是）完全不相關(guān)。因此，公式4的穩態(tài)條件必須改寫(xiě)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，系統就需要增加兩個(gè)開(kāi)關(guān)MOS1和MOS2，如圖3所示。當MOS1導通時(shí)，線(xiàn)圈內貯存的電量就會(huì )傳送到輸出1；當MOS2導通時(shí)，線(xiàn)圈內貯存的電量就會(huì )傳送到輸出2。MOS1和MOS2以類(lèi)似于PMOS和NMOS的1/T頻率反相開(kāi)關(guān)，而占空比D2.不同于PMOS和NMOS的D1�？梢哉f(shuō)占空比D1是測量系統能夠傳輸的總電能的標準，而占空比D2則是測量?jì)蓚€(gè)輸出之間分配的總電能的標準。值得注意的最重要因素是，該系統只需一個(gè)線(xiàn)圈。

圖4是雙輸出拓撲線(xiàn)圈電流的波形。與傳統的降壓轉換器不同，雙輸出拓撲有三個(gè)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(xiàn)圈電流波形
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(jìn)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(chǎn)生的功耗（見(jiàn)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(xiàn)圈內的電流可能會(huì )逆轉是同步整流技術(shù)已知的缺點(diǎn)，這會(huì )導致功耗增加。STw4141解決了這個(gè)難題，方法是當IL=0時(shí)，將NMOS晶體管關(guān)斷，預防線(xiàn)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(shí)，通過(guò)進(jìn)入PFM模式，效率得到進(jìn)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(wú)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(dòng)選擇模式，無(wú)需用戶(hù)介入即可實(shí)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(chǎng)合。因為在PFM模式下功率轉換是異步的，電磁輻射可能會(huì ) 在應用敏感的頻率下產(chǎn)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(jìn)行配置：PFM模式完全禁用；用戶(hù)可以覆蓋自動(dòng)開(kāi)關(guān)，強制進(jìn)入工作模式。設計人員利用覆蓋功能可以設計一個(gè)既節能省電又無(wú)頻譜干擾的電源系統。在待機模式下，任務(wù)時(shí)段性完成95%過(guò)程的應用處理器是這種系統的一個(gè)實(shí)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(jìn)入脈寬調制模式（PWM），并且保持這種模式一直到高級系統使處理器返回到睡眠模式為止。

附加功能
頻譜干擾是一個(gè)問(wèn)題，可能存在于敏感應用中，業(yè)內一直在研究這個(gè)現象。一份研究報告顯示，在實(shí)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(gè)系統。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(gè)原因，配備了鎖相環(huán)（PLL），允許用戶(hù)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(chǎn)品。用戶(hù)可以通過(guò)專(zhuān)用引腳設置輸出電壓。這個(gè)功能在通過(guò)降低進(jìn)入睡眠模式的應用處理器電源電壓來(lái)節省電能的應用場(chǎng)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(gè)應用系統的功耗。

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(lián)電阻的原因，從電池汲取過(guò)多的電流可能會(huì )使電池電壓產(chǎn)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(gè)外部線(xiàn)圈，而普通電源則需要兩個(gè)。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(gè)設計中，線(xiàn)圈是體積最大的組件，同時(shí)節省電路板空間也正是這個(gè)組件，其次， BGA封裝也在節省電路板空間上發(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(wàn)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(gè) 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。