中心論題：
- 最簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換器線性調(diào)節(jié)器。
- 無(wú)感應(yīng)器的 DC/DC轉(zhuǎn)換器。
- 基于感應(yīng)器的 DC/DC轉(zhuǎn)換器的介紹。
解決方案:
- 選擇路徑元件來(lái)提供更高的電流及適當(dāng)?shù)纳崃俊?/strong>
- 轉(zhuǎn)換器在乘法模式之間的切換實(shí)現(xiàn)在大輸入－輸出電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的效率。
- 將一個(gè)感應(yīng)器用作儲(chǔ)能單元為輸出電容器提供了更多功能或更高的性能。
基于電子設(shè)備的處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員經(jīng)常會(huì)在為他們的應(yīng)用選擇最佳電源架構(gòu)時(shí)遇到困難。有時(shí)最佳的解決方案是插入式電源。而有時(shí)采用由分立的元件組成的電源才是最佳的解決方案。選擇插入式電源解決方案相對(duì)來(lái)說(shuō)比較直接,但對(duì)于缺乏電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的數(shù)字設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō),設(shè)計(jì)一個(gè)分立電源解決方案可能會(huì)使他望而卻步。大多 DC/DC 電源控制 IC 供應(yīng)商均可提供詳細(xì)的輔助材料來(lái)幫助電路設(shè)計(jì)。但是,在開(kāi)始電源設(shè)計(jì)之前,設(shè)計(jì)人員必須選擇正確的拓?fù)?。本文將提供以下指?dǎo)原則來(lái)幫助為某些用于微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）及基于 FPGA 的電子產(chǎn)品的最常用結(jié)構(gòu)選擇正確的電源拓?fù)洹?nbsp;
線性調(diào)節(jié)器／控制器
線性調(diào)節(jié)器是最簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換器。線性調(diào)節(jié)器只是把高輸入電壓降低為低輸出電壓,其輸入電流等于輸出電流。線性調(diào)節(jié)器由誤差放大器、參考電壓及路徑元件組成。它可以進(jìn)行完全集成,也可以由控制 IC 與外部路徑元件構(gòu)成。路徑元件可以是雙極晶體管或 MOSFET。線性調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)在于其簡(jiǎn)易性與相對(duì)無(wú)噪聲／波紋的輸出電壓。線性調(diào)節(jié)器需要的唯一無(wú)源輔助元件是輸入與輸出電容器。其主要缺點(diǎn)是,對(duì)于輸入／輸出壓差較大的應(yīng)用來(lái)說(shuō),效率極低。功率是以散熱的形式損耗的,因此,如果應(yīng)用具有較大輸出電流的話,調(diào)節(jié)器封裝的功耗要求會(huì)很高。由于可以選擇路徑元件來(lái)提供更高的電流及適當(dāng)?shù)纳崃?因此在高電流電平時(shí),采用外部路徑元件的線性調(diào)節(jié)器只有少許優(yōu)勢(shì)。
線性調(diào)節(jié)器的另一個(gè)限制是它要求具備最低輸入－輸出壓差或壓降,以便保持調(diào)節(jié)。即使在高電流電平時(shí),許多采用內(nèi)部路徑元件的最新調(diào)節(jié)器仍然具有極低的壓降,因此能夠以極低的輸入電壓運(yùn)行。例如,采用 1.5V 固定輸出電壓的德州儀器 (TI) TPS72515 就可在僅 1.8V 下以 750mA 輸出電流運(yùn)行,因此可達(dá)到83％的效率。
無(wú)感應(yīng)器的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器
開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器在分立的包中把能量從輸入移動(dòng)到輸出。感應(yīng)器或電容器可作為能量存儲(chǔ)單元將能量從電源電路的輸入移動(dòng)到輸出。與只能降低電壓的線性調(diào)節(jié)器不同,這些轉(zhuǎn)換器可以升高、降低或轉(zhuǎn)換輸入電壓。另外,能量存儲(chǔ)單元可實(shí)現(xiàn)不相等的輸入／輸出電流。例如,開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器可將 5V 的低電流電源降低為 3.3V 的高電流電源,或者把 3.3V 的高電流電源升高為 5V 的低電流電源。因此,這些轉(zhuǎn)換器可以達(dá)到比線性調(diào)節(jié)器高得多的效率。
最簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器是“無(wú)感應(yīng)器”開(kāi)關(guān) DC/DC 轉(zhuǎn)換器,有時(shí)候又稱(chēng)為充電泵。充電泵采用多個(gè)開(kāi)關(guān)及電容器把電荷通過(guò)一個(gè)或多個(gè)"飛速"電容器從輸入電源移動(dòng)到輸出電容器。這種轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單并具有高效性。圖1顯示了 TPS60130 300mA、無(wú)感應(yīng)器開(kāi)關(guān)電容器的效率曲線。
圖1：無(wú)感應(yīng)器開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器效率曲線示例
為了在大輸入－輸出電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的效率,轉(zhuǎn)換器可以在乘法模式（如：1.5X、2X 等）之間切換。乘法模式的改變會(huì)造成圖1效率曲線中步進(jìn)的改變。如果沒(méi)有反饋調(diào)節(jié)的話,這種轉(zhuǎn)換器只能以成倍的輸入電壓提供輸出電壓。因此,存在不同的反饋調(diào)節(jié)方法來(lái)提供不同的輸出電壓。每種反饋方法都會(huì)不同地影響轉(zhuǎn)換器的效率與波紋,因此應(yīng)根據(jù)應(yīng)用的需要進(jìn)行選擇。
基于感應(yīng)器的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器
基于感應(yīng)器的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器 IC 包含控制電路與至少一個(gè)集成開(kāi)關(guān),而開(kāi)關(guān)控制器 IC 只有控制電路且需要外部開(kāi)關(guān)。帶有外部開(kāi)關(guān)且基于感應(yīng)器的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器與控制器的輸出電流范圍比無(wú)感應(yīng)器的轉(zhuǎn)換器更廣泛。還存在幾種其他配置,其中一些配置是上述基本降壓、升壓及反向轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)單組合,因此為特定應(yīng)用提供了更多功能或更高的性能。所有這些開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器均至少將一個(gè)感應(yīng)器用作儲(chǔ)能單元與輸出電容器。大負(fù)載范圍的高效性是開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器與線性調(diào)節(jié)器及無(wú)感應(yīng)器開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器相比的主要優(yōu)勢(shì)。圖2說(shuō)明了 TPS62200 降壓轉(zhuǎn)換器的效率曲線。
圖2：TPS62200 降 壓轉(zhuǎn)換器的效率曲線。
開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的主要缺點(diǎn)是成本（包含設(shè)計(jì)時(shí)間、元件數(shù)及板尺寸）,以及輸出噪聲／波紋。設(shè)計(jì)時(shí)間包括檢查各種配置、開(kāi)關(guān)方式、操作模式以及反饋控制方案等,其中每種都會(huì)有較高的成本、效率及輸出噪聲影響。限制成本、最小化板面積及提供高效率與低波紋的關(guān)鍵還在于選擇外部元件,包括感應(yīng)器、輸出電容器、以及可能用于外部開(kāi)關(guān)的二極管或 FETS。所有這些設(shè)計(jì)選擇都使開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器黯然失色,但是它能夠提供高效率,某些情況下甚至高達(dá)95％以上,這就彌補(bǔ)了設(shè)計(jì)時(shí)間和元件成本的劣勢(shì)。
針對(duì)應(yīng)用而選擇最佳的分立 DC/DC 轉(zhuǎn)換器成為了成本、效率、以及輸出噪聲或波紋之間的一種權(quán)衡。表1根據(jù)4個(gè)因素對(duì)比了各種轉(zhuǎn)換器：最高輸出電流、效率、輸出波紋／噪聲及總成本。
表1：轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞南鄬?duì)比較
1 如果可從比控制 IC 更低的軌電壓中驅(qū)動(dòng)路徑元件便可得以提高,并因此可進(jìn)行降壓操作。
2 如果以成本及效率為代價(jià)在輸出中增加第二個(gè)輸出濾波器或添加一個(gè)線性調(diào)節(jié)器就可以得到提高。
1 如果可從比控制 IC 更低的軌電壓中驅(qū)動(dòng)路徑元件便可得以提高,并因此可進(jìn)行降壓操作。
2 如果以成本及效率為代價(jià)在輸出中增加第二個(gè)輸出濾波器或添加一個(gè)線性調(diào)節(jié)器就可以得到提高。
一旦選擇了 DC/DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)?設(shè)計(jì)人員就可以利用制造商提供的設(shè)計(jì)輔助材料來(lái)選擇能夠?qū)崿F(xiàn)最高效率、最低成本或最低輸出噪聲及波紋的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。
線性調(diào)節(jié)器／控制器
線性調(diào)節(jié)器是最簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換器。線性調(diào)節(jié)器只是把高輸入電壓降低為低輸出電壓,其輸入電流等于輸出電流。線性調(diào)節(jié)器由誤差放大器、參考電壓及路徑元件組成。它可以進(jìn)行完全集成,也可以由控制 IC 與外部路徑元件構(gòu)成。路徑元件可以是雙極晶體管或 MOSFET。線性調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)在于其簡(jiǎn)易性與相對(duì)無(wú)噪聲／波紋的輸出電壓。線性調(diào)節(jié)器需要的唯一無(wú)源輔助元件是輸入與輸出電容器。其主要缺點(diǎn)是,對(duì)于輸入／輸出壓差較大的應(yīng)用來(lái)說(shuō),效率極低。功率是以散熱的形式損耗的,因此,如果應(yīng)用具有較大輸出電流的話,調(diào)節(jié)器封裝的功耗要求會(huì)很高。由于可以選擇路徑元件來(lái)提供更高的電流及適當(dāng)?shù)纳崃?因此在高電流電平時(shí),采用外部路徑元件的線性調(diào)節(jié)器只有少許優(yōu)勢(shì)。
線性調(diào)節(jié)器的另一個(gè)限制是它要求具備最低輸入－輸出壓差或壓降,以便保持調(diào)節(jié)。即使在高電流電平時(shí),許多采用內(nèi)部路徑元件的最新調(diào)節(jié)器仍然具有極低的壓降,因此能夠以極低的輸入電壓運(yùn)行。例如,采用 1.5V 固定輸出電壓的德州儀器 (TI) TPS72515 就可在僅 1.8V 下以 750mA 輸出電流運(yùn)行,因此可達(dá)到83％的效率。
無(wú)感應(yīng)器的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器
開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器在分立的包中把能量從輸入移動(dòng)到輸出。感應(yīng)器或電容器可作為能量存儲(chǔ)單元將能量從電源電路的輸入移動(dòng)到輸出。與只能降低電壓的線性調(diào)節(jié)器不同,這些轉(zhuǎn)換器可以升高、降低或轉(zhuǎn)換輸入電壓。另外,能量存儲(chǔ)單元可實(shí)現(xiàn)不相等的輸入／輸出電流。例如,開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器可將 5V 的低電流電源降低為 3.3V 的高電流電源,或者把 3.3V 的高電流電源升高為 5V 的低電流電源。因此,這些轉(zhuǎn)換器可以達(dá)到比線性調(diào)節(jié)器高得多的效率。
最簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器是“無(wú)感應(yīng)器”開(kāi)關(guān) DC/DC 轉(zhuǎn)換器,有時(shí)候又稱(chēng)為充電泵。充電泵采用多個(gè)開(kāi)關(guān)及電容器把電荷通過(guò)一個(gè)或多個(gè)"飛速"電容器從輸入電源移動(dòng)到輸出電容器。這種轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單并具有高效性。圖1顯示了 TPS60130 300mA、無(wú)感應(yīng)器開(kāi)關(guān)電容器的效率曲線。
圖1：無(wú)感應(yīng)器開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器效率曲線示例
為了在大輸入－輸出電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的效率,轉(zhuǎn)換器可以在乘法模式（如：1.5X、2X 等）之間切換。乘法模式的改變會(huì)造成圖1效率曲線中步進(jìn)的改變。如果沒(méi)有反饋調(diào)節(jié)的話,這種轉(zhuǎn)換器只能以成倍的輸入電壓提供輸出電壓。因此,存在不同的反饋調(diào)節(jié)方法來(lái)提供不同的輸出電壓。每種反饋方法都會(huì)不同地影響轉(zhuǎn)換器的效率與波紋,因此應(yīng)根據(jù)應(yīng)用的需要進(jìn)行選擇。
基于感應(yīng)器的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器
基于感應(yīng)器的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器 IC 包含控制電路與至少一個(gè)集成開(kāi)關(guān),而開(kāi)關(guān)控制器 IC 只有控制電路且需要外部開(kāi)關(guān)。帶有外部開(kāi)關(guān)且基于感應(yīng)器的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器與控制器的輸出電流范圍比無(wú)感應(yīng)器的轉(zhuǎn)換器更廣泛。還存在幾種其他配置,其中一些配置是上述基本降壓、升壓及反向轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)單組合,因此為特定應(yīng)用提供了更多功能或更高的性能。所有這些開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器均至少將一個(gè)感應(yīng)器用作儲(chǔ)能單元與輸出電容器。大負(fù)載范圍的高效性是開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器與線性調(diào)節(jié)器及無(wú)感應(yīng)器開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器相比的主要優(yōu)勢(shì)。圖2說(shuō)明了 TPS62200 降壓轉(zhuǎn)換器的效率曲線。
圖2：TPS62200 降 壓轉(zhuǎn)換器的效率曲線。
開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的主要缺點(diǎn)是成本（包含設(shè)計(jì)時(shí)間、元件數(shù)及板尺寸）,以及輸出噪聲／波紋。設(shè)計(jì)時(shí)間包括檢查各種配置、開(kāi)關(guān)方式、操作模式以及反饋控制方案等,其中每種都會(huì)有較高的成本、效率及輸出噪聲影響。限制成本、最小化板面積及提供高效率與低波紋的關(guān)鍵還在于選擇外部元件,包括感應(yīng)器、輸出電容器、以及可能用于外部開(kāi)關(guān)的二極管或 FETS。所有這些設(shè)計(jì)選擇都使開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器黯然失色,但是它能夠提供高效率,某些情況下甚至高達(dá)95％以上,這就彌補(bǔ)了設(shè)計(jì)時(shí)間和元件成本的劣勢(shì)。
針對(duì)應(yīng)用而選擇最佳的分立 DC/DC 轉(zhuǎn)換器成為了成本、效率、以及輸出噪聲或波紋之間的一種權(quán)衡。表1根據(jù)4個(gè)因素對(duì)比了各種轉(zhuǎn)換器：最高輸出電流、效率、輸出波紋／噪聲及總成本。
表1：轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞南鄬?duì)比較
1 如果可從比控制 IC 更低的軌電壓中驅(qū)動(dòng)路徑元件便可得以提高,并因此可進(jìn)行降壓操作。
2 如果以成本及效率為代價(jià)在輸出中增加第二個(gè)輸出濾波器或添加一個(gè)線性調(diào)節(jié)器就可以得到提高。
1 如果可從比控制 IC 更低的軌電壓中驅(qū)動(dòng)路徑元件便可得以提高,并因此可進(jìn)行降壓操作。
2 如果以成本及效率為代價(jià)在輸出中增加第二個(gè)輸出濾波器或添加一個(gè)線性調(diào)節(jié)器就可以得到提高。
一旦選擇了 DC/DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)?設(shè)計(jì)人員就可以利用制造商提供的設(shè)計(jì)輔助材料來(lái)選擇能夠?qū)崿F(xiàn)最高效率、最低成本或最低輸出噪聲及波紋的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。
