智能手機,、平板電腦,、數(shù)碼相機、導(dǎo)航系統(tǒng),、醫(yī)療設(shè)備和其 它低功耗便攜式設(shè)備常常包含多個采用不同半導(dǎo)體工藝制造 的集成電路,。這些設(shè)備通常需要多個獨立的電源電壓,，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 顯示了一個采用鋰離子電池供電的典型低功耗系統(tǒng)。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 簡單的方法是運用低壓差調(diào)節(jié)器(LDO)。不過,，當(dāng)VIN遠高于 VOUT時,，未輸送到負載的功率會以熱量形式損失，導(dǎo)致LDO 效率低下,。一種常見的替代方案是采用開關(guān)轉(zhuǎn)換器,，它將能 量交替存儲在電感的磁場中，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,，可實現(xiàn)高效 率運行,。本文介紹降壓型轉(zhuǎn)換器，它提供較低的輸出電壓,。 升壓型轉(zhuǎn)換器將另文介紹,，它提供較高的輸出電壓。內(nèi)置 FET作為開關(guān)的開關(guān)轉(zhuǎn)換器稱為開關(guān)調(diào)節(jié)器,，需要外部FET的 開關(guān)轉(zhuǎn)換器則稱為開關(guān)控制器,。多數(shù)低功耗系統(tǒng)同時運用 LDO和開關(guān)轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)成本和性能目標(biāo)。
圖 1. 典型低功耗便攜式系統(tǒng)
降壓調(diào)節(jié)器包括 2 個開關(guān),、2 個電容和 1 個電感,，如圖 2 所 示。非交疊開關(guān)驅(qū)動機制確保任一時間只有一個開關(guān)導(dǎo)通,， 避免發(fā)生不良的電流“直通”現(xiàn)象,。在第 1 階段，開關(guān)B斷開,， 開關(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,，開關(guān)A斷 開,，開關(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(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)和工作波形
注意,，開關(guān)調(diào)節(jié)器既可以連續(xù)工作，也可以斷續(xù)工作,。連續(xù) 導(dǎo)通以連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)工作時,，電感電流不會降至 0；以 斷續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)工作時,，電感電流可以降至 0,。低功耗降 壓轉(zhuǎn)換器很少在斷續(xù)導(dǎo)通模式下工作。設(shè)計的,電流紋波（如 圖 2中的ΔI 所示）通常為標(biāo)稱負載電流的 20%到 50%,。
在圖 3 中,，開關(guān) A 和開關(guān) B 分別利用 PFET 和 NFET 開關(guān)實 現(xiàn)，構(gòu)成一個同步降壓調(diào)節(jié)器,。“同步”一詞表示將一個 FET 用作低端開關(guān),。用肖特基二極管代替低端開關(guān)的降壓調(diào) 節(jié)器稱為“異步”（或非同步）型。處理低功率時,，同步降 壓調(diào)節(jié)器更有效,，因為 FET 的壓降低于肖特基二極管。然 而,，當(dāng)電感電流達到 0 時,，如果底部 FET 未釋放，同步轉(zhuǎn)換 器的輕載效率會降低,，而且額外的控制電路會提高 IC 的復(fù)雜 性和成本,。
圖 3. 降壓調(diào)節(jié)器集成振蕩器、PWM控制環(huán)路和開關(guān) FET
目前的低功耗同步降壓調(diào)節(jié)器以脈寬調(diào)制(PWM)為主要工作 模式,。PWM保持頻率不變,，通過改變脈沖寬度(tON)來調(diào)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 開關(guān)由脈寬控制器控制，后者響應(yīng)負載變化,，利用控制 環(huán)路中的電壓或電流反饋來調(diào)節(jié)輸出電壓,。低功耗降壓轉(zhuǎn)換 器的工作頻率范圍一般是 1 MHz 到 6 MHz。開關(guān)頻率較高 時,，所用的電感可以更小,，但開關(guān)頻率每增加一倍,，效率就 會降低大約 2%。
在輕載下,，PWM 工作模式并不總是能夠提高系統(tǒng)效率,。以圖 形卡電源電路為例，視頻內(nèi)容改變時,，驅(qū)動圖形處理器的降 壓轉(zhuǎn)換器的負載電流也會改變,。連續(xù) PWM 工作模式可以處 理寬范圍的負載電流，但在輕載下,，調(diào)節(jié)器所需的功率會占 去輸送給負載的總功率的較大比例,，導(dǎo)致系統(tǒng)效率迅速降 低。針對便攜應(yīng)用,，降壓調(diào)節(jié)器集成了其它省電技術(shù),，如脈 沖頻率調(diào)制(PFM)、脈沖跳躍或這兩者的結(jié)合等,。
ADI公司將高效率輕載工作模式定義為“省電模式”(PSM),。 進入省電模式時，PWM調(diào)節(jié)電平會產(chǎn)生偏移,，導(dǎo)致輸出電壓 上升,，直至它達到比PWM調(diào)節(jié)電平高約 1.5%的電平，此時 PWM工作模式關(guān)閉,，兩個功率開關(guān)均斷開，器件進入空閑模 式,。COUT可以放電,，直到VOUT降至PWM調(diào)節(jié)電壓。然后,，器 件驅(qū)動電感,，導(dǎo)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,，此過程就會重復(fù)進行,。
ADP2138 是一款緊湊型 800 mA、3 MHz,、降壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換 器,。圖 4所示為典型應(yīng)用電路。圖 5顯示了強制 PWM工作模 式下和自動 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(diào)節(jié)器 提供一個 MODE 引腳（如圖 4 所示）,，用戶可以通過該引腳 強制器件以連續(xù) PWM 模式工作,，或者允許器件以自動 PWM/PSM 模式工作,。MODE 引腳既可以通過硬連線來設(shè)置 任一工作模式，也可以根據(jù)需要而動態(tài)切換,，以達到省電目 的,。
圖 4. ADP2138/ADP2139典型應(yīng)用電路
圖 5. ADP2138的效率：(a) 連續(xù) PWM模式；(b) PSM模式
降壓調(diào)節(jié)器提高效率
電池的續(xù)航時間是新型便攜式設(shè)備設(shè)計高度關(guān)注的一個特 性,。提高系統(tǒng)效率可以延長電池工作時間,，降低更換或充電的頻度。例如,，一個鋰離子充電電池可以使用ADP125 LDO以 0.8 V電壓驅(qū)動一個 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(nèi)部耗散掉，這可能會導(dǎo)致手持式設(shè)備的溫度 迅速上升,。如果使用ADP2138 開關(guān)調(diào)節(jié)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(shè)備的溫度升幅將大大減小。這些系統(tǒng)效率的 大幅改善使得開關(guān)調(diào)節(jié)器大量運用于便攜式設(shè)備,。
降壓轉(zhuǎn)換器關(guān)鍵規(guī)格和定義
輸入電壓范圍：降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍決定了最低的可 用輸入電源電壓,。規(guī)格可能提供很寬的輸入電壓范圍，但VIN 必須高于VOUT才能實現(xiàn)高效率工作,。例如,，要獲得穩(wěn)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行規(guī) 定，包括關(guān)斷,、零負載,、PFM工作模式或PWM工作模式。因 此,，為了確定某個應(yīng)用的最佳降壓調(diào)節(jié)器,，最好查看特定工 作電壓和負載電流下的實際工作效率數(shù)據(jù)。
關(guān)斷電流： 這是使能引腳禁用時器件消耗的輸入電流，對低 功耗降壓調(diào)節(jié)器來說通常遠低于 1µA,。這一指標(biāo)對于便攜式 設(shè)備處于睡眠模式時電池能否具有長待機時間很重要,。
輸出電壓精度： ADI 公司的降壓轉(zhuǎn)換器具有很高的輸出電壓 精度，固定輸出器件在工廠制造時就被精確調(diào)整到±2%之內(nèi) （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(guī)定，最差情況下的不精確性規(guī)定為±x%,。
線路調(diào)整率： 線路調(diào)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(diào)整率： 負載調(diào)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(shù)降壓調(diào)節(jié)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(dǎo)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(shù)據(jù)手冊都會規(guī)定 負載瞬變,，但大多數(shù)數(shù)據(jù)手冊都會提供不同工作條件下的負 載瞬態(tài)響應(yīng)曲線,。
限流：ADP2138 等降壓調(diào)節(jié)器內(nèi)置保護電路，限制流經(jīng) PFET 開關(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：內(nèi)部軟啟動功能對于降壓調(diào)節(jié)器非常重要，它在啟 動時控制輸出電壓緩升,，從而限制浪涌電流,。這樣，當(dāng)電池 或高阻抗電源連接到轉(zhuǎn)換器輸入端時,，可以防止輸入電壓下 降,。器件使能后，內(nèi)部電路開始上電周期,。
啟動時間是指使能信號的上升沿至VOUT達到其標(biāo) 稱值的 90%的時間。這個測試通常是在施加VIN,、使能引腳從 斷開切換到接通的條件下進行,。在使能引腳連接到VIN的情況 下，當(dāng)VIN從關(guān)斷切換到開啟時,，啟動時間可能會大幅增加,， 因為控制環(huán)路需要一定的穩(wěn)定時間。在調(diào)節(jié)器需要頻繁啟動 和關(guān)閉以節(jié)省功耗的便攜式系統(tǒng)中,，調(diào)節(jié)器的啟動時間是一 個重要的考慮因素.
熱關(guān)斷(TSD)： 當(dāng)結(jié)點溫度超過規(guī)定的限值時,，熱關(guān)斷電路就 會關(guān)閉調(diào)節(jié)器。極端的結(jié)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(yù)設(shè)限值以下之前返回正常工作狀 態(tài)。
100%占空比工作： 隨著VIN下降或ILOAD上升,，降壓調(diào)節(jié)器會 達到一個限值：即使PFET開關(guān)以 100%占空比導(dǎo)通,，VOUT仍 低于預(yù)期的輸出電壓。此時,，ADP2138 平滑過渡到可使PFET 開關(guān)保持 100%占空比導(dǎo)通的模式,。當(dāng)輸入條件改變時，器件 立即重新啟動PWM調(diào)節(jié),，VOUT不會過沖,。
放電開關(guān)： 在某些系統(tǒng)中，如果負載非常小,，降壓調(diào)節(jié)器的 輸出可能會在系統(tǒng)進入睡眠模式后的一定時間內(nèi)仍然保持較 高水平,。然而，如果系統(tǒng)在輸出電壓放電之前啟動上電序 列,，系統(tǒng)可能會發(fā)生閂鎖,，或者導(dǎo)致器件受損。當(dāng)使能引腳 變?yōu)榈碗娖交蚱骷M入欠壓閉鎖/熱關(guān)斷狀態(tài)時,，ADP2139 降 壓調(diào)節(jié)器通過集成的開關(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(tǒng)輸入電壓高 于規(guī)定閾值時才向負載輸出電壓。UVLO 很重要,，因為它只 在輸入電壓達到或超過器件穩(wěn)定工作要求的電壓時才讓器件 上電.
結(jié)束語
低功耗降壓調(diào)節(jié)器使開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)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,、高性價比 的降壓調(diào)節(jié)器，只需極少的外部元件就能實現(xiàn)高工作效率,。 系統(tǒng)設(shè)計師可以使用數(shù)據(jù)手冊應(yīng)用部分提供的設(shè)計計算,，或者使用 ADIsimPower™ 設(shè)計工具。欲查看有關(guān)ADI公司降壓 調(diào)節(jié)器的選型指南,、數(shù)據(jù)手冊和應(yīng)用筆記,，請訪問：www.analog.com/en/power-management/products/index.html. 欲了解更多信息，請聯(lián)系A(chǔ)DI公司應(yīng)用工程師.