如何成功应用DC-DC降压稳压器

智能手机、平板电脑、数码相机、导航系统、医疗设备和其他低功耗便携式设备通常包含多个采用不同半导体工艺制造的集成电路。这些器件通常需要多个独立的电源电压，每个电压通常与电池或外部ac-dc电源提供的电压不同。
图1所示为使用锂离子电池工作的典型低功耗系统。电池的可用输出范围为3 v至4.2 v，而ic需要0.8 v、1.8 v、2.5 v和2.8 v。将电池电压降低到较低直流电压的一种简单方法是使用低压差稳压器（ldo）。不幸的是，未输送到负载的功率会以热量的形式损失，使得ldo在v在远大于 v外.开关转换器是一种流行的替代方案，它交替地将能量存储在电感器的磁场中，并以不同的电压将能量释放到负载。其损耗的降低使其成为提高效率的更好选择。降压或降压转换器（此处介绍）提供较低的电压。升压或升压转换器（将在以后的文章中介绍）提供更高的输出电压。包含内部fet作为开关的开关转换器称为开关稳压器，而需要外部fet的器件称为开关控制器。大多数低功耗系统同时使用ldo和开关转换器来实现成本和性能目标。
图1.典型的低功耗便携式系统。
降压稳压器由两个开关、两个电容和一个电感组成，如图2所示。非重叠开关驱动器确保一次只有一个开关接通，以避免不需要的电流“直通”。在第 1 阶段，开关 b 打开，开关 a 关闭。电感连接到v在，因此电流从 v 流出在到负载。由于电感两端的正电压，电流增加。在第 2 阶段，开关 a 打开，开关 b 关闭。电感接地，因此电流从地流向负载。由于电感两端的负电压，电流减小，存储在电感中的能量被释放到负载中。
图2.降压转换器拓扑和工作波形。
请注意，开关稳压器操作可以是连续的，也可以是不连续的。在连续导通模式（ccm）下工作时，电感电流永远不会降至零;在非连续导通模式（dcm）下工作时，电感电流可能降至零。低功耗降压转换器很少在dcm中工作。电流纹波，显示为 δil在图2中，通常设计为标称负载电流的20%至50%。
在图3中，开关a和开关b分别使用pfet和nfet开关实现，以创建同步降压稳压器。术语同步表示 fet 用作下部开关。使用肖特基二极管代替下部开关的降压稳压器定义为异步（或异步）。为了处理低功耗，同步降压稳压器效率更高，因为fet的压降低于肖特基二极管。但是，如果在电感电流达到零时底部fet不释放，同步转换器在轻负载下的效率将受到影响，并且额外的控制电路会增加ic的复杂性和成本。
图3.降压稳压器集成了振荡器、pwm 控制环路和开关 fet。
当今的低功耗同步降压稳压器使用脉宽调制（pwm）作为主要工作模式。pwm保持频率恒定并改变脉冲宽度（t上）来调节输出电压。提供的平均功率与占空比d成正比，使其成为为负载供电的有效方式。
fet开关由脉宽控制器控制，该控制器在控制环路中使用电压或电流反馈来调节输出电压以响应负载变化。低功耗降压转换器的工作频率通常在1 mhz至6 mhz之间。较高的开关频率允许使用更小的电感器，但开关频率每增加一倍，效率就会降低约2%。
pwm 操作并不总是能提高轻负载下的系统效率。例如，考虑显卡的电源电路。随着视频内容的变化，驱动图形处理器的降压转换器上的负载电流也会发生变化。连续pwm操作可以处理很宽范围的负载电流，但在轻负载时效率会迅速降低，因为稳压器所需的功率消耗了输送到负载的总功率的较大百分比。对于便携式应用，降压稳压器集成了额外的节能技术，例如脉冲频率调制（pfm）、脉冲跳跃或两者的组合。
adi公司将高效轻负载操作定义为省电模式（psm）。当进入省电模式时，pwm调节电平中感应的失调导致输出电压上升，直到达到pwm调节电平以上约1.5%，此时pwm操作关闭：两个电源开关都关闭，进入空闲模式。c外允许放电直到v外降至pwm调节电压。然后，器件驱动电感，导致v外再次上升到上限阈值。只要负载电流低于省电电流阈值，就会重复此过程。
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和自动pwm/psm操作之间的效率改进。由于频率可变，psm干扰可能难以滤除，因此许多降压稳压器都包含一个mode引脚（如图4所示），允许用户强制连续pwm操作或允许自动pwm/psm操作。mode 引脚可以硬连线用于任一工作模式，也可以在需要时动态切换以节省功耗。
图4.adp2138/adp2139典型应用电路。
图5.adp2138在（a）连续pwm模式和（b）psm模式下的效率。
降压稳压器提高效率
更高的效率允许在更换或充电之前延长电池工作时间，这是新的便携式设备设计中非常理想的功能。例如，可充电锂离子电池可以使用adp125 ldo在0.8 v电压下驱动500 ma负载，如图6所示。ldo 的效率，v外/v在×100%，即0.8/4.2，仅为19%。ldo 无法存储未使用的能量，因此未输送到负载的 81% （1.7 w）功率在 ldo 内作为热量消散，这可能导致手持设备快速升温。使用adp2138开关稳压器，该稳压器在4.2 v输入和0.8 v输出下提供82%的工作效率，可提供四倍以上的效率，并降低便携式设备的温升。系统效率的这种实质性改进导致大量开关稳压器被设计到便携式设备中。
图6.低压差稳压器adp125可驱动500 ma负载。
按键降压转换器规格和定义
输入电压范围：降压转换器的输入电压范围决定了最低可用输入电源电压。规格可能显示宽输入电压范围，但 v在必须大于 v外实现高效运行。例如，稳定的3.3 v输出电压要求输入电压高于3.8 v。
接地或静态电流：我q是直流偏置电流未输送到负载。具有较低 i 的器件q提供更高的效率。我q但是，可以针对许多条件进行指定，包括关断、零负载、pfm 操作或 pwm 操作，因此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，以确定最适合应用的降压稳压器。
关断电流：使能引脚设置为关断时消耗的输入电流。对于低功耗降压稳压器，该电流通常远低于1 μa，在便携式设备处于休眠模式时，电池待机时间较长时非常重要。
输出电压精度： adi公司的降压转换器专为高输出电压精度而设计。固定输出器件在 25°c 时经过工厂调整至优于 ±2%。输出电压精度在工作温度、输入电压和负载电流范围内指定，最坏情况下的误差指定为 ±x%。
线路调整率：线路调整率是在额定负载下由输入电压变化引起的输出电压变化。
负载调整率：负载调整率是输出电压随输出电流变化而变化。大多数降压稳压器可以保持输出电压基本恒定，以缓慢变化负载电流。
负载瞬变：当负载电流从低电平快速变为高电平时，可能会发生瞬态误差，从而导致在 pfm 和 pwm 之间或从 pwm 切换到 pfm 操作之间的模式切换。并不总是指定负载瞬变，但大多数数据手册都有不同工作条件下的负载瞬态响应图。
电流限制： adp2138等降压稳压器集成了保护电路，以限制流过pfet开关和同步整流器的正电流量。正电流控制限制了从输入流向输出的电流量。负电流限制可防止电感电流反转方向并流出负载。
软启动：降压稳压器必须具有内部软启动功能，该功能在启动时以受控方式斜坡上升输出电压，以限制浪涌电流。这可以防止电池或高阻抗电源的输入电压在连接到转换器输入时下降。器件使能后，内部电路开始上电循环。
启动时间：启动时间是使能信号上升沿与v之间的时间外达到其标称值的90%。该测试通常使用 v 进行在应用，使能引脚从关闭切换到打开。在使能连接到 v 的情况下在，当 v在从关切换到开，启动时间可能会大大增加，因为控制环路需要时间来稳定。降压稳压器的启动时间对于频繁打开和关闭稳压器以节省便携式系统功耗的应用非常重要。
热关断：如果结温上升到指定限值以上，热关断电路将关闭稳压器。极端结温可能是高电流操作、电路板冷却不良或环境温度高的结果。保护电路中包括迟滞，以防止在片内温度降至预设限值以下之前恢复正常工作。
100% 占空比操作：随着v的下降在或 i 增加负荷，降压稳压器达到 pfet 开关 100% 导通时间的限值和 v外降至所需输出电压以下。在此限值下，adp2138平滑过渡到pfet开关100%保持开启状态的模式。当输入条件发生变化时，器件立即重新启动pwm调节，无v过冲外.
放电开关：在某些系统中，如果负载非常轻，降压稳压器的输出可以在系统进入休眠模式后保持高电平一段时间。然后，如果系统在输出电压放电之前启动上电序列，则系统可能会闩锁，或者器件可能会损坏。adp2139降压稳压器使用集成开关电阻（典型值为100 ω）在使能引脚变低或器件进入欠压锁定或热关断状态时对输出放电。
欠压锁定：欠压锁定（uvlo）确保仅当系统输入电压高于指定阈值时，才向负载提供电压。uvlo很重要，因为它仅当输入电压等于或高于稳定工作所需的值时，才允许器件上电。
结论
低功耗降压稳压器揭开开关dc-dc转换器设计的神秘面纱。adi公司提供一系列高度集成的降压稳压器，这些稳压器坚固耐用、易于使用且经济高效，只需极少的外部元件即可实现高工作效率。