智能手機、平板電腦、數(shù)碼相機、導航系統(tǒng)、醫(yī)療設備和其他低功耗便攜式設備通常包含多個采用不同半導體工藝制造的集成電路。這些器件通常需要多個獨立的電源電壓，每個電壓通常與電池或外部AC-DC電源提供的電壓不同。

圖1所示為使用鋰離子電池工作的典型低功耗系統(tǒng)。電池的可用輸出范圍為3 V至4.2 V，而IC需要0.8 V、1.8 V、2.5 V和2.8 V。將電池電壓降低到較低直流電壓的一種簡單方法是使用低壓差穩(wěn)壓器（LDO）。不幸的是，未輸送到負載的功率會以熱量的形式損失，使得LDO在V在遠大于 V外.開關轉(zhuǎn)換器是一種流行的替代方案，它交替地將能量存儲在電感器的磁場中，并以不同的電壓將能量釋放到負載。其損耗的降低使其成為提高效率的更好選擇。降壓或降壓轉(zhuǎn)換器（此處介紹）提供較低的電壓。升壓或升壓轉(zhuǎn)換器（將在以后的文章中介紹）提供更高的輸出電壓。包含內(nèi)部FET作為開關的開關轉(zhuǎn)換器稱為開關穩(wěn)壓器，而需要外部FET的器件稱為開關控制器。大多數(shù)低功耗系統(tǒng)同時使用LDO和開關轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)成本和性能目標。

圖1.典型的低功耗便攜式系統(tǒng)。

降壓穩(wěn)壓器由兩個開關、兩個電容和一個電感組成，如圖2所示。非重疊開關驅(qū)動器確保一次只有一個開關接通，以避免不需要的電流“直通”。在第 1 階段，開關 B 打開，開關 A 關閉。電感連接到V在，因此電流從 V 流出在到負載。由于電感兩端的正電壓，電流增加。在第 2 階段，開關 A 打開，開關 B 關閉。電感接地，因此電流從地流向負載。由于電感兩端的負電壓，電流減小，存儲在電感中的能量被釋放到負載中。

圖2.降壓轉(zhuǎn)換器拓撲和工作波形。

請注意，開關穩(wěn)壓器操作可以是連續(xù)的，也可以是不連續(xù)的。在連續(xù)導通模式（CCM）下工作時，電感電流永遠不會降至零;在非連續(xù)導通模式（DCM）下工作時，電感電流可能降至零。低功耗降壓轉(zhuǎn)換器很少在DCM中工作。電流紋波，顯示為 ΔIL在圖2中，通常設計為標稱負載電流的20%至50%。

在圖3中，開關A和開關B分別使用PFET和NFET開關實現(xiàn)，以創(chuàng)建同步降壓穩(wěn)壓器。術(shù)語同步表示 FET 用作下部開關。使用肖特基二極管代替下部開關的降壓穩(wěn)壓器定義為異步（或異步）。為了處理低功耗，同步降壓穩(wěn)壓器效率更高，因為FET的壓降低于肖特基二極管。但是，如果在電感電流達到零時底部FET不釋放，同步轉(zhuǎn)換器在輕負載下的效率將受到影響，并且額外的控制電路會增加IC的復雜性和成本。

圖3.降壓穩(wěn)壓器集成了振蕩器、PWM 控制環(huán)路和開關 FET。

當今的低功耗同步降壓穩(wěn)壓器使用脈寬調(diào)制（PWM）作為主要工作模式。PWM保持頻率恒定并改變脈沖寬度（t上） 來調(diào)節(jié)輸出電壓。提供的平均功率與占空比D成正比，使其成為為負載供電的有效方式。

FET開關由脈寬控制器控制，該控制器在控制環(huán)路中使用電壓或電流反饋來調(diào)節(jié)輸出電壓以響應負載變化。低功耗降壓轉(zhuǎn)換器的工作頻率通常在1 MHz至6 MHz之間。 較高的開關頻率允許使用更小的電感器，但開關頻率每增加一倍，效率就會降低約2%。

PWM 操作并不總是能提高輕負載下的系統(tǒng)效率。例如，考慮顯卡的電源電路。隨著視頻內(nèi)容的變化，驅(qū)動圖形處理器的降壓轉(zhuǎn)換器上的負載電流也會發(fā)生變化。連續(xù)PWM操作可以處理很寬范圍的負載電流，但在輕負載時效率會迅速降低，因為穩(wěn)壓器所需的功率消耗了輸送到負載的總功率的較大百分比。對于便攜式應用，降壓穩(wěn)壓器集成了額外的節(jié)能技術(shù)，例如脈沖頻率調(diào)制（PFM）、脈沖跳躍或兩者的組合。

ADI公司將高效輕負載操作定義為省電模式（PSM）。當進入省電模式時，PWM調(diào)節(jié)電平中感應的失調(diào)導致輸出電壓上升，直到達到PWM調(diào)節(jié)電平以上約1.5%，此時PWM操作關閉：兩個電源開關都關閉，進入空閑模式。C外允許放電直到V外降至PWM調(diào)節(jié)電壓。然后，器件驅(qū)動電感，導致V外再次上升到上限閾值。只要負載電流低于省電電流閾值，就會重復此過程。

ADP2138是一款緊湊型800 mA、3 MHz、降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。圖4所示為典型應用電路。圖5顯示了強制PWM和自動PWM/PSM操作之間的效率改進。由于頻率可變，PSM干擾可能難以濾除，因此許多降壓穩(wěn)壓器都包含一個MODE引腳（如圖4所示），允許用戶強制連續(xù)PWM操作或允許自動PWM/PSM操作。MODE 引腳可以硬連線用于任一工作模式，也可以在需要時動態(tài)切換以節(jié)省功耗。

圖4.ADP2138/ADP2139典型應用電路。

圖5.ADP2138在（a）連續(xù)PWM模式和（b）PSM模式下的效率。

降壓穩(wěn)壓器提高效率

更高的效率允許在更換或充電之前延長電池工作時間，這是新的便攜式設備設計中非常理想的功能。例如，可充電鋰離子電池可以使用ADP125 LDO在0.8 V電壓下驅(qū)動500 mA負載，如圖6所示。LDO 的效率，V外/V在×100%，即0.8/4.2，僅為19%。LDO 無法存儲未使用的能量，因此未輸送到負載的 81% （1.7 W） 功率在 LDO 內(nèi)作為熱量消散，這可能導致手持設備快速升溫。使用ADP2138開關穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器在4.2 V輸入和0.8 V輸出下提供82%的工作效率，可提供四倍以上的效率，并降低便攜式設備的溫升。系統(tǒng)效率的這種實質(zhì)性改進導致大量開關穩(wěn)壓器被設計到便攜式設備中。

圖6.低壓差穩(wěn)壓器ADP125可驅(qū)動500 mA負載。

按鍵降壓轉(zhuǎn)換器規(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可用輸入電源電壓。規(guī)格可能顯示寬輸入電壓范圍，但 V在必須大于 V外實現(xiàn)高效運行。例如，穩(wěn)定的3.3 V輸出電壓要求輸入電壓高于3.8 V。

接地或靜態(tài)電流： 我Q是直流偏置電流未輸送到負載。具有較低 I 的器件Q提供更高的效率。我Q但是，可以針對許多條件進行指定，包括關斷、零負載、PFM 操作或 PWM 操作，因此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)，以確定最適合應用的降壓穩(wěn)壓器。

關斷電流： 使能引腳設置為關斷時消耗的輸入電流。對于低功耗降壓穩(wěn)壓器，該電流通常遠低于1 μA，在便攜式設備處于休眠模式時，電池待機時間較長時非常重要。

輸出電壓精度： ADI公司的降壓轉(zhuǎn)換器專為高輸出電壓精度而設計。固定輸出器件在 25°C 時經(jīng)過工廠調(diào)整至優(yōu)于 ±2%。 輸出電壓精度在工作溫度、輸入電壓和負載電流范圍內(nèi)指定，最壞情況下的誤差指定為 ±x%。

線路調(diào)整率： 線路調(diào)整率是在額定負載下由輸入電壓變化引起的輸出電壓變化。

負載調(diào)整率：負載調(diào)整率是輸出電壓隨輸出電流變化而變化。大多數(shù)降壓穩(wěn)壓器可以保持輸出電壓基本恒定，以緩慢變化負載電流。

負載瞬變：當負載電流從低電平快速變?yōu)楦唠娖綍r，可能會發(fā)生瞬態(tài)誤差，從而導致在 PFM 和 PWM 之間或從 PWM 切換到 PFM 操作之間的模式切換。并不總是指定負載瞬變，但大多數(shù)數(shù)據(jù)手冊都有不同工作條件下的負載瞬態(tài)響應圖。

電流限制： ADP2138等降壓穩(wěn)壓器集成了保護電路，以限制流過PFET開關和同步整流器的正電流量。正電流控制限制了從輸入流向輸出的電流量。負電流限制可防止電感電流反轉(zhuǎn)方向并流出負載。

軟啟動： 降壓穩(wěn)壓器必須具有內(nèi)部軟啟動功能，該功能在啟動時以受控方式斜坡上升輸出電壓，以限制浪涌電流。這可以防止電池或高阻抗電源的輸入電壓在連接到轉(zhuǎn)換器輸入時下降。器件使能后，內(nèi)部電路開始上電循環(huán)。

啟動時間：啟動時間是使能信號上升沿與V之間的時間外達到其標稱值的90%。該測試通常使用 V 進行在應用，使能引腳從關閉切換到打開。在使能連接到 V 的情況下在，當 V在從關切換到開，啟動時間可能會大大增加，因為控制環(huán)路需要時間來穩(wěn)定。降壓穩(wěn)壓器的啟動時間對于頻繁打開和關閉穩(wěn)壓器以節(jié)省便攜式系統(tǒng)功耗的應用非常重要。

熱關斷：如果結(jié)溫上升到指定限值以上，熱關斷電路將關閉穩(wěn)壓器。極端結(jié)溫可能是高電流操作、電路板冷卻不良或環(huán)境溫度高的結(jié)果。保護電路中包括遲滯，以防止在片內(nèi)溫度降至預設限值以下之前恢復正常工作。

100% 占空比操作： 隨著V的下降在或 I 增加負荷，降壓穩(wěn)壓器達到 PFET 開關 100% 導通時間的限值和 V外降至所需輸出電壓以下。在此限值下，ADP2138平滑過渡到PFET開關100%保持開啟狀態(tài)的模式。當輸入條件發(fā)生變化時，器件立即重新啟動PWM調(diào)節(jié)，無V過沖外.

放電開關：在某些系統(tǒng)中，如果負載非常輕，降壓穩(wěn)壓器的輸出可以在系統(tǒng)進入休眠模式后保持高電平一段時間。然后，如果系統(tǒng)在輸出電壓放電之前啟動上電序列，則系統(tǒng)可能會閂鎖，或者器件可能會損壞。ADP2139降壓穩(wěn)壓器使用集成開關電阻（典型值為100 Ω）在使能引腳變低或器件進入欠壓鎖定或熱關斷狀態(tài)時對輸出放電。

欠壓鎖定：欠壓鎖定（UVLO）確保僅當系統(tǒng)輸入電壓高于指定閾值時，才向負載提供電壓。UVLO很重要，因為它僅當輸入電壓等于或高于穩(wěn)定工作所需的值時，才允許器件上電。

結(jié)論

低功耗降壓穩(wěn)壓器揭開開關DC-DC轉(zhuǎn)換器設計的神秘面紗。ADI公司提供一系列高度集成的降壓穩(wěn)壓器，這些穩(wěn)壓器堅固耐用、易于使用且經(jīng)濟高效，只需極少的外部元件即可實現(xiàn)高工作效率。

審核編輯：郭婷