AN-1125 应用笔记 One Technology Way • P.O. 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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 Rev. 0 | Page 4 of 8 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 Rev. 0 | Page 5 of 8 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。 Rev. 0 | Page 6 of 8 AN-1125 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。 ADIsimPower™设计工具。欲查看有关ADI公司降压调节 ADI公司提供一系列高集成度、坚固耐用、易于使用、 器的选型指南、数据手册和应用笔记，请访问： 高性价比的降压调节器，只需极少的外部元件就能实现 www.analog.com/power-management。欲了解更多信息， 高工作效率。系统设计师可以使用降压调节器数据手册 请联系ADI公司应用工程师。 中提供的设计计算，或者使用 Rev. 0 | Page 7 of 8 AN-1125 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. AN10104sc-0-9/11(0) Rev. 0 | Page 8 of 8