AN-1125: 如何运用DC-DC降压调节器 (Rev. 0)

AN-1125
应用笔记
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如何运用DC-DC降压调节器
作者:Ken Marasco
简介
过,当VIN远高于VOUT时,未输送到负载的功率会以热量
智能手机、平板电脑、数码相机、导航系统、医疗设备
形式损失,导致LDO效率低下。一种常见的替代方案是
和其它低功耗便携式设备常常包含多个采用不同半导体
采用开关转换器,它将能量交替存储在电感的磁场中,
工艺制造的集成电路。这些设备通常需要多个独立的电
然后以不同的电压释放给负载。这种方案的损耗较低,
源电压,各电源电压一般不同于电池或外部AC/DC电源
是一种更好的选择,可实现高效率运行。降压型转换器
提供的电压。
可提供较低的输出电压。内置FET作为开关的开关转换
图1显示了一个采用锂离子电池供电的典型低功耗系
器称为开关调节器,需要外部FET的开关转换器则称为
统。电池的可用输出范围是3 V到4.2 V,而IC需要0.8 V、
开关控制器。多数低功耗系统同时运用LDO和开关转换
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
器来实现成本和性能目标。
电压,一种简单的方法是运用低压差调节器(LDO)。不
BATTERY
Li-Ion
1.8V
VDD I/O
MICROPROCESSOR
MEMORY
POWER ON
RTC
VDD CORE
2.5V
SENSOR
2.8V
LOW POWER RF
0.8V
图1. 典型低功耗便携式系统
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LDO
ADP151
LDO
ADP150
BUCK
REGULATOR
ADP2138
10104-001
LCD DISPLAY
3.6V
BUCK
REGULATOR
ADP2120
AN-1125
目录
简介............................................................................................. 1
负载瞬变......................................................................................6
修订历史.................................................................................... 2
限流...............................................................................................6
降压调节器................................................................................ 3
软启动..........................................................................................6
降压调节器提高效率............................................................... 5
启动时间......................................................................................6
降压转换器关键规格和定义................................................... 6
热关断(TSD)...............................................................................6
输入电压范围........................................................................ 6
100%占空比工作........................................................................6
地电流或静态电流............................................................... 6
放电开关......................................................................................6
关断电流................................................................................ 6
欠压闭锁.......................................................................................6
输出电压精度....................................................................... 6
结束语...............................................................................................7
线性调整率........................................................................... 6
参考文献.......................................................................................8
负载调整率........................................................................... 6
修订历史
2011年9月—修订版0:初始版
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AN-1125
降压调节器
降压调节器包括两个开关、两个电容和一个电感,如图
在图3中,开关A和开关B分别利用pFET和nFET开关实
2所示。非交叠开关驱动机制确保任一时间只有一个开
现,构成一个同步降压调节器。“同步”一词表示将一个
关导通,避免发生不良的电流直通。在第1阶段,开关B
FET用作低端开关。用肖特基二极管代替低端开关的降
断开,开关A闭合。电感连接到VIN,因此电流从VIN流到
压调节器称为“异步”(或非同步)型。处理低功率时,同
负载。由于电感两端为正电压,因此电流增大。在第2
步降压调节器更有效,因为FET的压降低于肖特基二极
阶段,开关A断开,开关B闭合。电感连接到地,因此电
管。然而,当电感电流达到0时,如果底部FET未释放,
流从地流到负载。由于电感两端为负电压,因此电流减
同步转换器的轻载效率会降低,而且额外的控制电路会
小,电感中存储的能量释放到负载中。
提高IC的复杂性和成本。
注意,开关调节器既可以连续工作,也可以断续工作。
目前的低功耗同步降压调节器以脉宽调制(PWM)为主要
以连续导通模式(CCM)工作时,电感电流不会降至0;以
工作模式。PWM保持频率不变,通过改变脉冲宽度(tON)
断续导通模式(DCM)工作时,电感电流可以降至0。低
来调整输出电压。输送的平均功率与占空比D成正比,
功耗降压转换器很少在断续导通模式下工作。设计的电
因此这是一种向负载提供功率的有效方式。
流纹波(如图2中的ΔILOAD所示)通常为标称负载电流的20%
到50%。
D=
V
t ON
≈ OUT
VIN
t ON + tOFF
PWM
MODULATION
VSW
+
–
IA
CIN
A
PWM ON
VSW
VOUT
L
–
tOFF
T
LOAD
IA
IB
CIN
A
VSW
L
ILOAD
VOUT
PWM OFF
B
COUT
LOAD
IB
ILOAD
∆ILOAD
图2. 降压转换器拓扑结构和工作波形
VIN
+
–
CIN
IA
A
OSCILLATOR
PWM
CONTROL
CURRENT
LIMIT
ILOAD
VSW
B
IB
COUT
VOUT
LOAD
10104-003
+
tON
VOUT
COUT
B
VIN
ILOAD
图3. 降压调节器集成振荡器、PWM控制环路和开关FET
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10104-002
VIN
AN-1125
2.3V TO 5.5V
制环路中的电压或电流反馈来调节输出电压。低功耗降压
4.7µF
转换器的工作频率范围一般是1 MHz到6 MHz。开关频率较
1µH
VIN
率就会降低大约2%。
FORCE
PWM
AUTO
在轻载下,PWM工作模式并不总是能够提高系统效率。以
VOUT
EN
OFF
4.7µF
ADP2138/
ADP2139
ON
高时,所用的电感可以更小,但开关频率每增加一倍,效
VOUT
SW
MODE
GND
10104-004
FET开关由脉宽控制器控制,后者响应负载变化,利用控
图形卡电源电路为例,视频内容改变时,驱动图形处理器
图4. ADP2138/ADP2139典型应用电路
的降压转换器的负载电流也会改变。连续PWM工作模式可
率会占去输送给负载的总功率的较大比例,导致系统效率
90
迅速降低。针对便携应用,降压调节器集成了其它省电技
80
术,如脉冲频率调制(PFM)、脉冲跳跃或这两者的结合等。
70
压上升,直至它达到比PWM调节电平高约1.5%的电平,此
50
40
30
时PWM工作模式关闭,两个功率开关均断开,器件进入空
20
闲模式。COUT可以放电,直到VOUT降至PWM调节电压。然
10
后,器件驱动电感,导致VOUT再次上升到阈值上限。只要
0
0.001
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和图6分别显示了强制
除,因此许多降压调节器提供一个MODE引脚(如图4所
70
EFFICIENCY (%)
80
要而动态切换,以达到省电目的。
1
100
90
脚既可以通过硬连线来设置任一工作模式,也可以根据需
0.1
图5. ADP2138在连续PWM模式下的效率与负载电流的关系,
整个输入电压范围内,VOUT = 0.8 V
率改善情况。由于频率存在变化,PSM干扰可能难以滤
作,或者允许器件以自动PWM/PSM模式工作。MODE引
0.01
ILOAD (A)
(连续)PWM工作模式下和自动PWM/PSM工作模式下的效
示),用户可以通过该引脚强制器件以连续PWM模式工
VIN = 2.3V
VIN = 3.6V
VIN = 4.2V
VIN = 5.5V
10104-005
进入省电模式时,PWM调节电平会产生偏移,导致输出电
60
60
50
40
30
VIN = 2.3V
VIN = 3.6V
VIN = 4.2V
VIN = 5.5V
20
10
0
0.001
0.01
0.1
ILOAD (A)
1
10104-006
ADI公司将高效率轻载工作模式定义为“省电模式”(PSM)。
EFFICIENCY (%)
以处理宽范围的负载电流,但在轻载下,调节器所需的功
100
图6. ADP2138在自动PWM/PSM模式下的效率与负载电流的关系,
整个输入电压范围内,VOUT = 0.8 V
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AN-1125
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
出下,工作效率将是82%,比前一方案的效率高出4倍多,便
性。提高系统效率可以延长电池工作时间,降低更换或充电
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
的频度。例如,一个锂离子充电电池可以使用ADP125 LDO
使得开关调节器大量运用于便携式设备。
以0.8 V电压驱动一个500 mA负载,如图7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
ILOAD = 500mA
VOUT = 0.8V
1
VOUT
VIN
8
VIN = 4.2V
C1
ADP125
C2
R1
R2
2
VOUT
VIN
7
3
ADJ
NC
6
4
GND
EN
5
LITHIUM ION
BATTERY
ON
OFF
图7. 低压差调节器ADP125可以驱动500 mA负载
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10104-007
LOAD
AN-1125
降压转换器关键规格和定义
输入电压范围
软启动
降压转换器的输入电压范围决定了最低的可用输入电源
内部软启动功能对于降压调节器非常重要,它在启动时
电压。规格可能提供很宽的输入电压范围,但VIN必须高
控制输出电压缓升,从而限制浪涌电流。这样,当电池
于VOUT才能实现高效率工作。例如,要获得稳定
或高阻抗电源连接到转换器输入端时,可以防止输入电
3.3 V输出电压,输入电压必须高于3.8 V。
压下降。器件使能后,内部电路开始上电周期。
地电流或静态电流
启动时间
IQ是未输送给负载的直流偏置电流。器件的IQ越低,则
启动时间是指使能信号的上升沿至VOUT达到其标称值的
效率越高。然而,IQ可以针对许多条件进行规定,包括
90%的时间。这个测试通常是在施加VIN、使能引脚从断
关断、零负载、PFM工作模式或PWM工作模式。因此,
开切换到接通的条件下进行。在使能引脚连接到VIN的情
为了确定某个应用的最佳降压调节器,最好查看特定工
况下,当VIN从关断切换到开启时,启动时间可能会大幅
作电压和负载电流下的实际工作效率数据。
增加,因为控制环路需要一定的稳定时间。在调节器需
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1 µA。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%。
线性调整率
线性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
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)
当结温超过规定的限值时,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。
条件下的负载 瞬 态响应曲线 。
欠压闭锁
限流
欠压闭锁(UVLO)可以确保只有在系统输入电压高于规定
ADP2138等降压调节器内置保护电路,限制流经pFET开
阈值时才向负载输出电压。UVLO很重要,因为它只在
关和同步整流器的正向电流。正电流限值限制可从输入
输入电压达到或超过器件稳定工作要求的电压时才让器
端流向输出端的电流量。负电流限值防止电感电流反向
件上电。
并流出负载。
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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。
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请联系ADI公司应用工程师。
中提供的设计计算,或者使用
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参考文献
有关所有ADI公司器件的信息,请访问:
www.analog.com.
www.analog.com/portable_power_solutions
Lenk, John D. 1996. Simplified Design of Switching Power
Supplies. Elsevier.
www.analog.com/power-management
www.analog.com/linear-regulators
Marasco, Ken. 2009. “How to Successfully Apply Low-Dropout
Regulators.” Analog Dialogue. Volume 43, Number 3.
www.analog.com/ADIsimPower
©2011 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Trademarks and
registered trademarks are the property of their respective owners.
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