在系统中成功运用 DC-DC降压 调节器
2013-05-30
作者：Ken Marasco
智能手机、平板电脑、数码相机、导航系统、医疗设备和其 它低功耗便携式设备常常包含多个采用不同半导体工艺制造 的集成电路。这些设备通常需要多个独立的电源电压，各电 源电压一般不同于电池或外部 AC/DC电源提供的电压。
图 1 显示了一个采用锂离子电池供电的典型低功耗系统。电 池的可用输出范围是 3 V到 4.2V，而IC需要 0.8 V、1.8 V、 2.5 V和 2.8 V电压。为将电池电压降至较低的直流电压，一种 简单的方法是运用低压差调节器(LDO)。不过，当VIN远高于 VOUT时，未输送到负载的功率会以热量形式损失，导致LDO 效率低下。一种常见的替代方案是采用开关转换器，它将能 量交替存储在电感的磁场中，然后以不同的电压释放给负 载。这种方案的损耗较低，是一种更好的选择，可实现高效 率运行。本文介绍降压型转换器，它提供较低的输出电压。 升压型转换器将另文介绍，它提供较高的输出电压。内置 FET作为开关的开关转换器称为开关调节器，需要外部FET的 开关转换器则称为开关控制器。多数低功耗系统同时运用 LDO和开关转换器来实现成本和性能目标。
图 1. 典型低功耗便携式系统
降压调节器包括 2 个开关、2 个电容和 1 个电感，如图 2 所 示。非交叠开关驱动机制确保任一时间只有一个开关导通， 避免发生不良的电流“直通”现象。在第 1 阶段，开关B断开， 开关A闭合。电感连接到VIN，因此电流从VIN流到负载。由于 电感两端为正电压，因此电流增大。在第 2 阶段，开关A断 开，开关B闭合。电感连接到地，因此电流从地流到负载。由 于电感两端为负电压，因此电流减小，电感中存储的能量释 放到负载中。
图 2. 降压转换器拓扑结构和工作波形
注意，开关调节器既可以连续工作，也可以断续工作。连续 导通以连续导通模式(CCM)工作时，电感电流不会降至 0；以 断续导通模式(DCM)工作时，电感电流可以降至 0。低功耗降 压转换器很少在断续导通模式下工作。设计的,电流纹波（如 图 2中的ΔI 所示）通常为标称负载电流的 20%到 50%。
在图 3 中，开关 A 和开关 B 分别利用 PFET 和 NFET 开关实 现，构成一个同步降压调节器。“同步”一词表示将一个 FET 用作低端开关。用肖特基二极管代替低端开关的降压调 节器称为“异步”（或非同步）型。处理低功率时，同步降 压调节器更有效，因为 FET 的压降低于肖特基二极管。然 而，当电感电流达到 0 时，如果底部 FET 未释放，同步转换 器的轻载效率会降低，而且额外的控制电路会提高 IC 的复杂 性和成本。
图 3. 降压调节器集成振荡器、PWM控制环路和开关 FET
目前的低功耗同步降压调节器以脉宽调制(PWM)为主要工作 模式。PWM保持频率不变，通过改变脉冲宽度(tON)来调整输 出电压。输送的平均功率与占空比D成正比，因此这是一种向 负载提高功率的有效方式。
FET 开关由脉宽控制器控制，后者响应负载变化，利用控制 环路中的电压或电流反馈来调节输出电压。低功耗降压转换 器的工作频率范围一般是 1 MHz 到 6 MHz。开关频率较高 时，所用的电感可以更小，但开关频率每增加一倍，效率就 会降低大约 2%。
在轻载下，PWM 工作模式并不总是能够提高系统效率。以图 形卡电源电路为例，视频内容改变时，驱动图形处理器的降 压转换器的负载电流也会改变。连续 PWM 工作模式可以处 理宽范围的负载电流，但在轻载下，调节器所需的功率会占 去输送给负载的总功率的较大比例，导致系统效率迅速降 低。针对便携应用，降压调节器集成了其它省电技术，如脉 冲频率调制(PFM)、脉冲跳跃或这两者的结合等。
ADI公司将高效率轻载工作模式定义为“省电模式”(PSM)。 进入省电模式时，PWM调节电平会产生偏移，导致输出电压 上升，直至它达到比PWM调节电平高约 1.5%的电平，此时 PWM工作模式关闭，两个功率开关均断开，器件进入空闲模 式。COUT可以放电，直到VOUT降至PWM调节电压。然后，器 件驱动电感，导致VOUT再次上升到阈值上限。只要负载电流 低于省电模式电流阈值，此过程就会重复进行。
ADP2138 是一款紧凑型 800 mA、3 MHz、降压 DC-DC 转换 器。图 4所示为典型应用电路。图 5显示了强制 PWM工作模 式下和自动 PWM/PSM 工作模式下的效率改善情况。由于频 率存在变化，PSM 干扰可能难以滤除，因此许多降压调节器 提供一个 MODE 引脚（如图 4 所示），用户可以通过该引脚 强制器件以连续 PWM 模式工作，或者允许器件以自动 PWM/PSM 模式工作。MODE 引脚既可以通过硬连线来设置 任一工作模式，也可以根据需要而动态切换，以达到省电目 的。
图 4. ADP2138/ADP2139典型应用电路
图 5. ADP2138的效率：(a) 连续 PWM模式；(b) PSM模式
降压调节器提高效率
电池的续航时间是新型便携式设备设计高度关注的一个特 性。提高系统效率可以延长电池工作时间，降低更换或充电的频度。例如，一个锂离子充电电池可以使用ADP125 LDO以 0.8 V电压驱动一个 500 mA负载，如图 6 所示。该LDO的 效率只有 19% (VOUT/VIN × 100% = 0.8/4.2 × 100%)。LDO无法 存储未使用的能量，因此剩余的 81%的功率(1.7 W)只能以热 量形式在LDO内部耗散掉，这可能会导致手持式设备的温度 迅速上升。如果使用ADP2138 开关调节器，在 4.2 V输入和 0.8 V输出下，工作效率将是 82%，比前一方案的效率高出 4 倍多，便携式设备的温度升幅将大大减小。这些系统效率的 大幅改善使得开关调节器大量运用于便携式设备。
降压转换器关键规格和定义
输入电压范围：降压转换器的输入电压范围决定了最低的可 用输入电源电压。规格可能提供很宽的输入电压范围，但VIN 必须高于VOUT才能实现高效率工作。例如，要获得稳定的 3.3 V输出电压，输入电压必须高于 3.8 V。
地电流或静态电流：IQ是未输送给负载的直流偏置电流。器 件的IQ越低，则效率越高。然而，IQ可以针对许多条件进行规 定，包括关断、零负载、PFM工作模式或PWM工作模式。因 此，为了确定某个应用的最佳降压调节器，最好查看特定工 作电压和负载电流下的实际工作效率数据。
关断电流： 这是使能引脚禁用时器件消耗的输入电流，对低 功耗降压调节器来说通常远低于 1µA。这一指标对于便携式 设备处于睡眠模式时电池能否具有长待机时间很重要。
输出电压精度： ADI 公司的降压转换器具有很高的输出电压 精度，固定输出器件在工厂制造时就被精确调整到±2%之内 （25°C）。输出电压精度在工作温度、输入电压和负载电流 范围条件下加以规定，最差情况下的不精确性规定为±x%。
线路调整率： 线路调整率是指额定负载下输出电压随输入电 压变化而发生的变化率。
负载调整率： 负载调整率是指输出电压随输出电流变化而发 生的变化率。对于缓慢变化的负载电流，大多数降压调节器 都能保持输出电压基本上恒定不变。
负载瞬变：如果负载电流从较低水平快速变化到较高水平， 导致工作模式在 PFM 与 PWM 之间切换，或者从 PWM 切换 到 PFM，就可能产生瞬态误差。并非所有数据手册都会规定 负载瞬变，但大多数数据手册都会提供不同工作条件下的负 载瞬态响应曲线。
限流：ADP2138 等降压调节器内置保护电路，限制流经 PFET 开关和同步整流器的正向电流。正电流控制限制可从输 入端流向输出端的电流量。负电流限值防止电感电流反向并 流出负载.
软启动：内部软启动功能对于降压调节器非常重要，它在启 动时控制输出电压缓升，从而限制浪涌电流。这样，当电池 或高阻抗电源连接到转换器输入端时，可以防止输入电压下 降。器件使能后，内部电路开始上电周期。
启动时间是指使能信号的上升沿至VOUT达到其标 称值的 90%的时间。这个测试通常是在施加VIN、使能引脚从 断开切换到接通的条件下进行。在使能引脚连接到VIN的情况 下，当VIN从关断切换到开启时，启动时间可能会大幅增加， 因为控制环路需要一定的稳定时间。在调节器需要频繁启动 和关闭以节省功耗的便携式系统中，调节器的启动时间是一 个重要的考虑因素.
热关断(TSD)： 当结点温度超过规定的限值时，热关断电路就 会关闭调节器。极端的结温可能由工作电流高、电路板冷却 不佳或环境温度高等原因引起。保护电路包括一定的迟滞，防止器件在芯片温度降至预设限值以下之前返回正常工作状 态。
100%占空比工作： 随着VIN下降或ILOAD上升，降压调节器会 达到一个限值：即使PFET开关以 100%占空比导通，VOUT仍 低于预期的输出电压。此时，ADP2138 平滑过渡到可使PFET 开关保持 100%占空比导通的模式。当输入条件改变时，器件 立即重新启动PWM调节，VOUT不会过冲。
放电开关： 在某些系统中，如果负载非常小，降压调节器的 输出可能会在系统进入睡眠模式后的一定时间内仍然保持较 高水平。然而，如果系统在输出电压放电之前启动上电序 列，系统可能会发生闩锁，或者导致器件受损。当使能引脚 变为低电平或器件进入欠压闭锁/热关断状态时，ADP2139 降 压调节器通过集成的开关电阻（典型值 100 Ω）给输出放电。
欠压闭锁: 欠压闭锁(UVLO)可以确保只有在系统输入电压高 于规定阈值时才向负载输出电压。UVLO 很重要，因为它只 在输入电压达到或超过器件稳定工作要求的电压时才让器件 上电.
结束语
低功耗降压调节器使开关DC-DC转换器设计不再神秘。ADI 公司提供一系列高集成度、坚固耐用、易于使用、高性价比 的降压调节器，只需极少的外部元件就能实现高工作效率。 系统设计师可以使用数据手册应用部分提供的设计计算，或者使用 ADIsimPower™ 设计工具。欲查看有关ADI公司降压 调节器的选型指南、数据手册和应用笔记，请访问：www.analog.com/en/power-management/products/index.html. 欲了解更多信息，请联系ADI公司应用工程师.