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ADI:在体系中成功运用 DC-DC降压 调节器

文章转自ADI官网,版权归属原作者所有 智能手机、平板电脑、数码相机、导航系统、医疗设

文章转自ADI官网,版权归属原作者一切

智能手机、平板电脑、数码相机、导航体系、医疗设备和其 它低功耗便携式设备常常包含多个选用不同半导体工艺制作 的集成电路。这些设备一般需求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电源供给的电压。

图 1 显现了一个选用锂离子电池供电的典型低功耗体系。电 池的可用输出规模是 3 V到 4.2V,而IC需求 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 简略的办法是运用低压差调理器 (LDO). 不过,当VIN远高于 VOUT时,未运送到负载的功率会以热量方法丢失,导致LDO 功率低下。一种常见的替代计划是选用开关转化器,它将能 量替换存储在电感的磁场中,然后以不同的电压开释给负 载。这种计划的损耗较低,是一种更好的挑选,可完成高效 率运转。本文介绍降压型转化器,它供给较低的输出电压。 升压型转化器将另文介绍,它供给较高的输出电压。内置 FET作为开关的开关转化器称为开关调理器,需求外部FET的 开关转化器则称为开关操控器.大都低功耗体系一起运用 LDO和开关转化器来完本钱钱和功用方针。

Figure 1
图 1. 典型低功耗便携式体系

降压调理器包含 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保证任一时刻只需一个开关导通, 避免发作不良的电流”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,因而电流从VIN流到负载。由于 电感两头为正电压,因而电流增大。在第 2 阶段,开关A断 开,开关B闭合。电感连接到地,因而电流从地流到负载。由 于电感两头为负电压,因而电流减小,电感中存储的能量释 放到负载中。

Figure 2
图 2. 降压转化器拓扑结构和作业波形

留意,开关调理器既能够接连作业,也能够断续作业。接连 导通以接连导通方式 (CCM),作业时,电感电流不会降至 0;以 断续导通方式 (DCM), 作业时,电感电流能够降至 0。低功耗降 压转化器很少在断续导通方式下作业。规划的,电流纹波,(如 图 2中的ΔIL所示)一般为标称负载电流的 20%到 50%。

在图 3 中,开关 A 和开关 B 别离运用 PFET 和 NFET 开关实 现,构成一个同步降压调理器。同步 一词表明将一个 FET 用作低端开关。用肖特基二极管替代低端开关的降压调 节器称为”异步”(或非同步)型。处理低功率时,同步降 压调理器更有用,由于 FET 的压下降于肖特基二极管。然 而,当电感电流到达 0 时,假如底部 FET 未开释,同步转化 器的轻载功率会下降,并且额外的操控电路会进步 IC 的杂乱 性和本钱。

Figure 3
图 3. 降压调理器集成振荡器、PWM操控环路和开关 FET

现在的低功耗同步降压调理器以脉宽调制(PWM)为首要作业 方式。PWM坚持频率不变,经过改动脉冲宽度(tON)来调整输 出电压。运送的平均功率与占空比D成正比,因而这是一种向 负载进步功率的有用方法。

Equation 1

FET 开关由脉宽操控器操控,后者呼应负载改动,运用操控 环路中的电压或电流反应来调理输出电压。低功耗降压转化 器的作业频率规模一般是 1 MHz 到 6 MHz。开关频率较高 时,所用的电感能够更小,但开关频率每添加一倍,功率就 会下降大约 2%。

在轻载下,PWM 作业方式并不总是能够进步体系功率。以图 形卡电源电路为例,视频内容改动时,驱动图形处理器的降 压转化器的负载电流也会改动。接连 PWM 作业方式能够处 理宽规模的负载电流,但在轻载下,调理器所需的功率会占 去运送给负载的总功率的较大份额,导致体系功率敏捷降 低。针对便携运用,降压调理器集成了其它省电技能,如脉 冲频率调制(PFM)、脉冲跳动或这两者的结合等。

ADI公司将高功率轻载作业方式界说为省电方式 (PSM).进入省电方式时,PWM调理电平会发作偏移,导致输出电压 上升,直至它到达比PWM调理电平高约 1.5%的电平,此刻 PWM作业方式封闭,两个功率开关均断开,器材进入闲暇模 式。COUT能够放电,直到VOUT 降至PWM调理电压。然后,器 件驱动电感,导致 VOUT再次上升到阈值上限。只需负载电流 低于省电方式电流阈值,此进程就会重复进行。

ADP2138 是一款紧凑型 800 mA、3 MHz、降压 DC-DC 转化 器。图 4所示为典型运用电路。图 5显现了强制 PWM作业模 式下和主动 PWM/PSM 作业方式下的功率改进状况。由于频 率存在改动,PSM 搅扰或许难以滤除,因而许多降压调理器 供给一个 MODE 引脚(如图 4 所示),用户能够经过该引脚 强制器材以接连 PWM 方式作业,或许答应器材以主动 PWM/PSM 方式作业。MODE 引脚既能够经过硬连线来设置 任一作业方式,也能够根据需求而动态切换,以到达省电目 的。

Figure 4
图 4. ADP2138/ADP2139典型运用电路
Figure 5A
Figure 5B
图 5. ADP2138的功率:(a) 接连 PWM方式;(b) PSM方式

降压调理器进步功率

电池的续航时刻是新式便携式设备规划高度重视的一个特 性。进步体系功率能够延伸电池作业时刻,下降替换或充电的频度。例如,一个锂离子充电电池能够运用ADP125 LDO以 0.8 V电压驱动一个 500 mA负载,如图 6 所示。该LDO的 功率只需 19%(VOUT/VIN × 100%)。LDO无法 存储未运用的能量,因而剩下的 81%的功率(1.7 W)只能以热 量方法在LDO内部耗散掉,这或许会导致手持式设备的温度 敏捷上升。假如运用ADP2138 开关调理器,在 4.2 V输入和 0.8 V输出下,作业功率将是 82%,比前一计划的功率高出 4 倍多,便携式设备的温度升幅将大大减小。这些体系功率的 大幅改进使得开关调理器很多运用于便携式设备。

Figure 6
图 6.降压转化器要害标准和界说

Key Buck Converter Specifications and Definitions

输入电压规模:降压转化器的输入电压规模决议了最低的可 用输入电源电压。标准或许供给很宽的输入电压规模,但VIN有必要高于VOUT才干完成高功率作业。例如,要取得安稳的 3.3 V输出电压,输入电压有必要高于 3.8 V。

地电流或静态电流:IQ是未运送给负载的直流偏置电流。器 件的IQ越低,则功率越高。但是,IQ能够针对许多条件进行规 定,包含关断、零负载、PFM作业方式或PWM作业方式。因 此,为了确认某个运用的最佳降压调理器,最好检查特定工 作电压和负载电流下的实践作业功率数据。

关断电流: 这是使能引脚禁用时器材耗费的输入电流,对低 功耗降压调理器来说一般远低于1 µA。这一目标关于便携式 设备处于睡觉方式时电池能否具有长待机时刻很重要。

输出电压精度: ADI 公司的降压转化器具有很高的输出电压 精度,固定输出器材在工厂制作时就被准确调整到±2%之内 (25°C)。输出电压精度在作业温度、输入电压和负载电流 规模条件下加以规则,最差状况下的不准确性规则为±x%.

线路调整率: 线路调整率是指额外负载下输出电压随输入电 压改动而发作的改动率。

负载调整率:负载调整率是指输出电压随输出电流改动而发 生的改动率。关于缓慢改动的负载电流,大大都降压调理器 都能坚持输出电压基本上安稳不变。

负载瞬变:假如负载电流从较低水平快速改动到较高水平, 导致作业方式在 PFM 与 PWM 之间切换,或许从 PWM 切换 到 PFM,就或许发作瞬态差错。并非一切数据手册都会规则 负载瞬变,但大大都数据手册都会供给不同作业条件下的负 载瞬态呼应曲线。

限流: ADP2138 等降压调理器内置维护电路,约束流经 PFET 开关和同步整流器的正向电流。正电流操控约束可从输 入端流向输出端的电流量。负电流限值避免电感电流反向并 流出负载.

软发动: 内部软发动功用关于降压调理器十分重要,它在启 动时操控输出电压缓升,然后约束浪涌电流。这样,当电池 或高阻抗电源连接到转化器输入端时,能够避免输入电压下 降。器材使能后,内部电路开端上电周期。

发动时刻: 发动时刻是指派能信号的上升沿至VOUT到达其标 称值的 90%的时刻。这个测验一般是在施加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的状况 下,当VIN 从关断切换到敞开时,发动时刻或许会大幅添加, 由于操控环路需求必定的安稳时刻。在调理器需求频频发动 和封闭以节约功耗的便携式体系中,调理器的发动时刻是一 个重要的考虑要素.

热关断(TSD): 当结点温度超越规则的限值时,热关断电路就 会封闭调理器。极点的结温或许由作业电流高、电路板冷却 欠安或环境温度高级原因引起。维护电路包含必定的迟滞,避免器材在芯片温度降至预设限值以下之前回来正常作业状 态。

100%占空比作业: 跟着 VIN下降或ILOAD上升,降压调理器会 到达一个限值:即便PFET开关以 100%占空比导通,VOUT仍 低于预期的输出电压。此刻,ADP2138 滑润过渡到可使PFET 开关坚持 100%占空比导通的方式。当输入条件改动时,器材 当即重新发动PWM调理,VOUT不会过冲。

放电开关:在某些体系中,假如负载十分小,降压调理器的 输出或许会在体系进入睡觉方式后的必定时刻内依然坚持较 高水平。但是,假如体系在输出电压放电之前发动上电序 列,体系或许会发作闩锁,或许导致器材受损。当使能引脚 变为低电平或器材进入欠压闭锁/热关断状况时,ADP2139 降 压调理器经过集成的开关电阻(典型值 100 Ω)给输出放电。

欠压闭锁:欠压闭锁(UVLO)能够保证只需在体系输入电压高 于规则阈值时才向负载输出电压。UVLO 很重要,由于它只 在输入电压到达或超越器材安稳作业要求的电压时才让器材 上电.

结束语

低功耗降压调理器使开关DC-DC转化器规划不再奥秘。ADI 公司供给一系列高集成度、坚固耐用、易于运用、高性价比 的降压调理器,只需很少的外部元件就能完成高作业功率。 体系规划师能够运用数据手册运用部分供给的规划核算,或许运用ADIsimPower规划东西。欲检查有关ADI公司降压 调理器的选型攻略、数据手册和运用笔记,请拜访:www.analog.com/en/power-management/products/index.html. 欲了解更多信息,请联络ADI公司运用工程师.

附录

3 MHz同步降压 DC-DC转化器驱动 800 mA负载

ADP2138和 ADP2139降压DC-DC转化器针对无线手机、个人 媒体播放器、数码相机和其它便携式设备运用进行了优化。 二者既能够在强制脉冲宽度(PWM)方式下作业,以取得最低 的纹波,也能够在PWM方式与省电方式之间主动切换,以便 在轻负载下取得最高功率。2.3 V至 5.5 V输入规模支撑运用标 准电源,包含锂电池、碱性电池和镍氢电池。供给 0.8 V至 3.3 V规模内的多个固定输出电压选项,负载才能为 800 mA, 精度为 2%。内置功率开关和同步整流器可进步功率并削减外 置器材数量。ADP2139(如图A所示)别的添加了一个内部放 电开关。ADP2138和ADP2139选用紧凑型 1 mm × 1.5 mm、6引脚WLCSP封装,额外温度规模为–40°C至+125°C,千片订 量报价为 0.90美元/片。

Figure A
图 A. ADP2139功用框图

参阅电路

(Information on all ADI components can be found at www.analog.com.)

Lenk, John D. Simplified Design of Switching Power Supplies. Elsevier. 1996. ISBN 13: 978-0-7506-9821-4.

Marasco, K. “How to Apply Low-Dropout Regulators Successfully.” Analog Dialogue. Volume 43, Number 3. 2009.

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