| 智能手機、平板電腦、數碼相機、導航系統、醫療設備和其它低功耗便攜式設備常常包含多個(gè)采用不同半導體工藝制造的集成電路。這些設備通常需要多個(gè)獨立的電源電壓，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(gè)采用鋰離子電池供電的典型低功耗系統。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(jiǎn)單的方法是運用低壓差調節器(LDO)。不過(guò)，當VIN遠高于 VOUT時(shí)，未輸送到負載的功率會(huì )以熱量形式損失，導致LDO 效率低下。一種常見(jiàn)的替代方案是采用開(kāi)關(guān)轉換器，它將能量交替存儲在電感的磁場(chǎng)中，然后以不同的電壓釋放給負載。這種方案的損耗較低，是一種更好的選擇，可實(shí)現高效率運行。本文介紹降壓型轉換器，它提供較低的輸出電壓。升壓型轉換器將另文介紹，它提供較高的輸出電壓。內置 FET作為開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)轉換器稱(chēng)為開(kāi)關(guān)調節器，需要外部FET的開(kāi)關(guān)轉換器則稱(chēng)為開(kāi)關(guān)控制器。多數低功耗系統同時(shí)運用 LDO和開(kāi)關(guān)轉換器來(lái)實(shí)現成本和性能目標。
圖 1. 典型低功耗便攜式系統
降壓調節器包括 2 個(gè)開(kāi)關(guān)、2 個(gè)電容和 1 個(gè)電感，如圖 2 所示。非交疊開(kāi)關(guān)驅動(dòng)機制確保任一時(shí)間只有一個(gè)開(kāi)關(guān)導通，避免發(fā)生不良的電流“直通”現象。在第 1 階段，開(kāi)關(guān)B斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)A閉合。電感連接到VIN，因此電流從VIN流到負載。由于電感兩端為正電壓，因此電流增大。在第 2 階段，開(kāi)關(guān)A斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)B閉合。電感連接到地，因此電流從地流到負載。由于電感兩端為負電壓，因此電流減小，電感中存儲的能量釋放到負載中。
圖 2. 降壓轉換器拓撲結構和工作波形
注意，開(kāi)關(guān)調節器既可以連續工作，也可以斷續工作。連續導通以連續導通模式(CCM)工作時(shí)，電感電流不會(huì )降至 0；以斷續導通模式(DCM)工作時(shí)，電感電流可以降至 0。低功耗降壓轉換器很少在斷續導通模式下工作。設計的,電流紋波（如圖 2中的ΔI 所示）通常為標稱(chēng)負載電流的 20%到 50%。
在圖 3 中，開(kāi)關(guān) A 和開(kāi)關(guān) B 分別利用 PFET 和 NFET 開(kāi)關(guān)實(shí)現，構成一個(gè)同步降壓調節器�！巴健币辉~表示將一個(gè) FET 用作低端開(kāi)關(guān)。用肖特基二極管代替低端開(kāi)關(guān)的降壓調節器稱(chēng)為“異步”（或非同步）型。處理低功率時(shí)，同步降壓調節器更有效，因為 FET 的壓降低于肖特基二極管。然而，當電感電流達到 0 時(shí)，如果底部 FET 未釋放，同步轉換器的輕載效率會(huì )降低，而且額外的控制電路會(huì )提高 IC 的復雜性和成本。
圖 3. 降壓調節器集成振蕩器、PWM控制環(huán)路和開(kāi)關(guān) FET
目前的低功耗同步降壓調節器以脈寬調制(PWM)為主要工作模式。PWM保持頻率不變，通過(guò)改變脈沖寬度(tON)來(lái)調整輸出電壓。輸送的平均功率與占空比D成正比，因此這是一種向負載提高功率的有效方式。
FET 開(kāi)關(guān)由脈寬控制器控制，后者響應負載變化，利用控制環(huán)路中的電壓或電流反饋來(lái)調節輸出電壓。低功耗降壓轉換器的工作頻率范圍一般是 1 MHz 到 6 MHz。開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，所用的電感可以更小，但開(kāi)關(guān)頻率每增加一倍，效率就會(huì )降低大約 2%。
在輕載下，PWM 工作模式并不總是能夠提高系統效率。以圖形卡電源電路為例，視頻內容改變時(shí)，驅動(dòng)圖形處理器的降壓轉換器的負載電流也會(huì )改變。連續 PWM 工作模式可以處理寬范圍的負載電流，但在輕載下，調節器所需的功率會(huì )占去輸送給負載的總功率的較大比例，導致系統效率迅速降低。針對便攜應用，降壓調節器集成了其它省電技術(shù)，如脈沖頻率調制(PFM)、脈沖跳躍或這兩者的結合等。
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(shí)，PWM調節電平會(huì )產(chǎn)生偏移，導致輸出電壓上升，直至它達到比PWM調節電平高約 1.5%的電平，此時(shí) PWM工作模式關(guān)閉，兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)均斷開(kāi)，器件進(jìn)入空閑模式。COUT可以放電，直到VOUT降至PWM調節電壓。然后，器件驅動(dòng)電感，導致VOUT再次上升到閾值上限。只要負載電流低于省電模式電流閾值，此過(guò)程就會(huì )重復進(jìn)行。
ADP2138 是一款緊湊型 800 mA、3 MHz、降壓 DC-DC 轉換器。圖 4所示為典型應用電路。圖 5顯示了強制 PWM工作模式下和自動(dòng) 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，因此許多降壓調節器提供一個(gè) MODE 引腳（如圖 4 所示），用戶(hù)可以通過(guò)該引腳強制器件以連續 PWM 模式工作，或者允許器件以自動(dòng) PWM/PSM 模式工作。MODE 引腳既可以通過(guò)硬連線(xiàn)來(lái)設置任一工作模式，也可以根據需要而動(dòng)態(tài)切換，以達到省電目的。
圖 4. ADP2138/ADP2139典型應用電路
圖 5. ADP2138的效率：(a) 連續 PWM模式；(b) PSM模式
降壓調節器提高效率
電池的續航時(shí)間是新型便攜式設備設計高度關(guān)注的一個(gè)特性。提高系統效率可以延長(cháng)電池工作時(shí)間，降低更換或充電的頻度。例如，一個(gè)鋰離子充電電池可以使用ADP125 LDO以 0.8 V電壓驅動(dòng)一個(gè) 500 mA負載，如圖 6 所示。該LDO的效率只有 19% (VOUT/VIN × 100% = 0.8/4.2 × 100%)。LDO無(wú)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內部耗散掉，這可能會(huì )導致手持式設備的溫度迅速上升。如果使用ADP2138 開(kāi)關(guān)調節器，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，便攜式設備的溫度升幅將大大減小。這些系統效率的大幅改善使得開(kāi)關(guān)調節器大量運用于便攜式設備。
降壓轉換器關(guān)鍵規格和定義
輸入電壓范圍：降壓轉換器的輸入電壓范圍決定了最低的可用輸入電源電壓。規格可能提供很寬的輸入電壓范圍，但VIN 必須高于VOUT才能實(shí)現高效率工作。例如，要獲得穩定的 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)行規定，包括關(guān)斷、零負載、PFM工作模式或PWM工作模式。因此，為了確定某個(gè)應用的最佳降壓調節器，最好查看特定工作電壓和負載電流下的實(shí)際工作效率數據。
關(guān)斷電流： 這是使能引腳禁用時(shí)器件消耗的輸入電流，對低功耗降壓調節器來(lái)說(shuō)通常遠低于 1µA。這一指標對于便攜式設備處于睡眠模式時(shí)電池能否具有長(cháng)待機時(shí)間很重要。
輸出電壓精度： ADI 公司的降壓轉換器具有很高的輸出電壓精度，固定輸出器件在工廠(chǎng)制造時(shí)就被精確調整到±2%之內（25°C）。輸出電壓精度在工作溫度、輸入電壓和負載電流范圍條件下加以規定，最差情況下的不精確性規定為±x%。
線(xiàn)路調整率： 線(xiàn)路調整率是指額定負載下輸出電壓隨輸入電壓變化而發(fā)生的變化率。
負載調整率： 負載調整率是指輸出電壓隨輸出電流變化而發(fā)生的變化率。對于緩慢變化的負載電流，大多數降壓調節器都能保持輸出電壓基本上恒定不變。
負載瞬變：如果負載電流從較低水平快速變化到較高水平，導致工作模式在 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。并非所有數據手冊都會(huì )規定負載瞬變，但大多數數據手冊都會(huì )提供不同工作條件下的負載瞬態(tài)響應曲線(xiàn)。
限流：ADP2138 等降壓調節器內置保護電路，限制流經(jīng) PFET 開(kāi)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。負電流限值防止電感電流反向并流出負載.
軟啟動(dòng)：內部軟啟動(dòng)功能對于降壓調節器非常重要，它在啟動(dòng)時(shí)控制輸出電壓緩升，從而限制浪涌電流。這樣，當電池或高阻抗電源連接到轉換器輸入端時(shí)，可以防止輸入電壓下降。器件使能后，內部電路開(kāi)始上電周期。
啟動(dòng)時(shí)間是指使能信號的上升沿至VOUT達到其標稱(chēng)值的 90%的時(shí)間。這個(gè)測試通常是在施加VIN、使能引腳從斷開(kāi)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VIN從關(guān)斷切換到開(kāi)啟時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間可能會(huì )大幅增加，因為控制環(huán)路需要一定的穩定時(shí)間。在調節器需要頻繁啟動(dòng)和關(guān)閉以節省功耗的便攜式系統中，調節器的啟動(dòng)時(shí)間是一個(gè)重要的考慮因素.
熱關(guān)斷(TSD)： 當結點(diǎn)溫度超過(guò)規定的限值時(shí)，熱關(guān)斷電路就會(huì )關(guān)閉調節器。極端的結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。保護電路包括一定的遲滯，防止器件在芯片溫度降至預設限值以下之前返回正常工作狀態(tài)。
100%占空比工作： 隨著(zhù)VIN下降或ILOAD上升，降壓調節器會(huì )達到一個(gè)限值：即使PFET開(kāi)關(guān)以 100%占空比導通，VOUT仍低于預期的輸出電壓。此時(shí)，ADP2138 平滑過(guò)渡到可使PFET 開(kāi)關(guān)保持 100%占空比導通的模式。當輸入條件改變時(shí)，器件立即重新啟動(dòng)PWM調節，VOUT不會(huì )過(guò)沖。
放電開(kāi)關(guān)： 在某些系統中，如果負載非常小，降壓調節器的輸出可能會(huì )在系統進(jìn)入睡眠模式后的一定時(shí)間內仍然保持較高水平。然而，如果系統在輸出電壓放電之前啟動(dòng)上電序列，系統可能會(huì )發(fā)生閂鎖，或者導致器件受損。當使能引腳變?yōu)榈碗娖交蚱骷M(jìn)入欠壓閉鎖/熱關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，ADP2139 降壓調節器通過(guò)集成的開(kāi)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輸入電壓高于規定閾值時(shí)才向負載輸出電壓。UVLO 很重要，因為它只在輸入電壓達到或超過(guò)器件穩定工作要求的電壓時(shí)才讓器件上電.
結束語(yǔ)
低功耗降壓調節器使開(kāi)關(guān)DC-DC轉換器設計不再神秘。ADI 公司提供一系列高集成度、堅固耐用、易于使用、高性?xún)r(jià)比的降壓調節器，只需極少的外部元件就能實(shí)現高工作效率。系統設計師可以使用數據手冊應用部分提供的設計計算，或者使用 ADIsimPower™ 設計工具 |
