中心論題：
- 最簡單的轉換器線性調節(jié)器。
- 無感應器的 DC/DC轉換器。
- 基于感應器的 DC/DC轉換器的介紹。
解決方案:
- 選擇路徑元件來提供更高的電流及適當的散熱量。
- 轉換器在乘法模式之間的切換實現在大輸入－輸出電壓范圍內實現更高的效率。
- 將一個感應器用作儲能單元為輸出電容器提供了更多功能或更高的性能。
基于電子設備的處理器系統(tǒng)設計人員經常會在為他們的應用選擇最佳電源架構時遇到困難。有時最佳的解決方案是插入式電源。而有時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來說比較直接,但對于缺乏電源設計經驗的數字設計人員來說,設計一個分立電源解決方案可能會使他望而卻步。大多 DC/DC 電源控制 IC 供應商均可提供詳細的輔助材料來幫助電路設計。但是,在開始電源設計之前,設計人員必須選擇正確的拓撲。本文將提供以下指導原則來幫助為某些用于微控制器、數字信號處理器（DSP）及基于 FPGA 的電子產品的最常用結構選擇正確的電源拓撲。
線性調節(jié)器／控制器
線性調節(jié)器是最簡單的轉換器。線性調節(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。線性調節(jié)器由誤差放大器、參考電壓及路徑元件組成。它可以進行完全集成,也可以由控制 IC 與外部路徑元件構成。路徑元件可以是雙極晶體管或 MOSFET。線性調節(jié)器的優(yōu)點在于其簡易性與相對無噪聲／波紋的輸出電壓。線性調節(jié)器需要的唯一無源輔助元件是輸入與輸出電容器。其主要缺點是,對于輸入／輸出壓差較大的應用來說,效率極低。功率是以散熱的形式損耗的,因此,如果應用具有較大輸出電流的話,調節(jié)器封裝的功耗要求會很高。由于可以選擇路徑元件來提供更高的電流及適當的散熱量,因此在高電流電平時,采用外部路徑元件的線性調節(jié)器只有少許優(yōu)勢。
線性調節(jié)器的另一個限制是它要求具備最低輸入－輸出壓差或壓降,以便保持調節(jié)。即使在高電流電平時,許多采用內部路徑元件的最新調節(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 輸出電流運行,因此可達到83％的效率。
無感應器的 DC/DC 轉換器
開關調節(jié)器在分立的包中把能量從輸入移動到輸出。感應器或電容器可作為能量存儲單元將能量從電源電路的輸入移動到輸出。與只能降低電壓的線性調節(jié)器不同,這些轉換器可以升高、降低或轉換輸入電壓。另外,能量存儲單元可實現不相等的輸入／輸出電流。例如,開關調節(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,這些轉換器可以達到比線性調節(jié)器高得多的效率。
最簡單的開關調節(jié)器是“無感應器”開關 DC/DC 轉換器,有時候又稱為充電泵。充電泵采用多個開關及電容器把電荷通過一個或多個"飛速"電容器從輸入電源移動到輸出電容器。這種轉換器的主要優(yōu)點在于設計簡單并具有高效性。圖1顯示了 TPS60130 300mA、無感應器開關電容器的效率曲線。
圖1：無感應器開關轉換器效率曲線示例
為了在大輸入－輸出電壓范圍內實現更高的效率,轉換器可以在乘法模式（如：1.5X、2X 等）之間切換。乘法模式的改變會造成圖1效率曲線中步進的改變。如果沒有反饋調節(jié)的話,這種轉換器只能以成倍的輸入電壓提供輸出電壓。因此,存在不同的反饋調節(jié)方法來提供不同的輸出電壓。每種反饋方法都會不同地影響轉換器的效率與波紋,因此應根據應用的需要進行選擇。
基于感應器的 DC/DC 轉換器
基于感應器的開關轉換器 IC 包含控制電路與至少一個集成開關,而開關控制器 IC 只有控制電路且需要外部開關。帶有外部開關且基于感應器的開關轉換器與控制器的輸出電流范圍比無感應器的轉換器更廣泛。還存在幾種其他配置,其中一些配置是上述基本降壓、升壓及反向轉換器的簡單組合,因此為特定應用提供了更多功能或更高的性能。所有這些開關轉換器均至少將一個感應器用作儲能單元與輸出電容器。大負載范圍的高效性是開關轉換器與線性調節(jié)器及無感應器開關轉換器相比的主要優(yōu)勢。圖2說明了 TPS62200 降壓轉換器的效率曲線。
圖2：TPS62200 降 壓轉換器的效率曲線。
開關轉換器的主要缺點是成本（包含設計時間、元件數及板尺寸）,以及輸出噪聲／波紋。設計時間包括檢查各種配置、開關方式、操作模式以及反饋控制方案等,其中每種都會有較高的成本、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鍵還在于選擇外部元件,包括感應器、輸出電容器、以及可能用于外部開關的二極管或 FETS。所有這些設計選擇都使開關轉換器黯然失色,但是它能夠提供高效率,某些情況下甚至高達95％以上,這就彌補了設計時間和元件成本的劣勢。
針對應用而選擇最佳的分立 DC/DC 轉換器成為了成本、效率、以及輸出噪聲或波紋之間的一種權衡。表1根據4個因素對比了各種轉換器：最高輸出電流、效率、輸出波紋／噪聲及總成本。
表1：轉換器拓撲的相對比較
1 如果可從比控制 IC 更低的軌電壓中驅動路徑元件便可得以提高,并因此可進行降壓操作。
2 如果以成本及效率為代價在輸出中增加第二個輸出濾波器或添加一個線性調節(jié)器就可以得到提高。
1 如果可從比控制 IC 更低的軌電壓中驅動路徑元件便可得以提高,并因此可進行降壓操作。
2 如果以成本及效率為代價在輸出中增加第二個輸出濾波器或添加一個線性調節(jié)器就可以得到提高。
一旦選擇了 DC/DC 轉換器拓撲,設計人員就可以利用制造商提供的設計輔助材料來選擇能夠實現最高效率、最低成本或最低輸出噪聲及波紋的轉換器設計。
線性調節(jié)器／控制器
線性調節(jié)器是最簡單的轉換器。線性調節(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。線性調節(jié)器由誤差放大器、參考電壓及路徑元件組成。它可以進行完全集成,也可以由控制 IC 與外部路徑元件構成。路徑元件可以是雙極晶體管或 MOSFET。線性調節(jié)器的優(yōu)點在于其簡易性與相對無噪聲／波紋的輸出電壓。線性調節(jié)器需要的唯一無源輔助元件是輸入與輸出電容器。其主要缺點是,對于輸入／輸出壓差較大的應用來說,效率極低。功率是以散熱的形式損耗的,因此,如果應用具有較大輸出電流的話,調節(jié)器封裝的功耗要求會很高。由于可以選擇路徑元件來提供更高的電流及適當的散熱量,因此在高電流電平時,采用外部路徑元件的線性調節(jié)器只有少許優(yōu)勢。
線性調節(jié)器的另一個限制是它要求具備最低輸入－輸出壓差或壓降,以便保持調節(jié)。即使在高電流電平時,許多采用內部路徑元件的最新調節(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 輸出電流運行,因此可達到83％的效率。
無感應器的 DC/DC 轉換器
開關調節(jié)器在分立的包中把能量從輸入移動到輸出。感應器或電容器可作為能量存儲單元將能量從電源電路的輸入移動到輸出。與只能降低電壓的線性調節(jié)器不同,這些轉換器可以升高、降低或轉換輸入電壓。另外,能量存儲單元可實現不相等的輸入／輸出電流。例如,開關調節(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,這些轉換器可以達到比線性調節(jié)器高得多的效率。
最簡單的開關調節(jié)器是“無感應器”開關 DC/DC 轉換器,有時候又稱為充電泵。充電泵采用多個開關及電容器把電荷通過一個或多個"飛速"電容器從輸入電源移動到輸出電容器。這種轉換器的主要優(yōu)點在于設計簡單并具有高效性。圖1顯示了 TPS60130 300mA、無感應器開關電容器的效率曲線。
圖1：無感應器開關轉換器效率曲線示例
為了在大輸入－輸出電壓范圍內實現更高的效率,轉換器可以在乘法模式（如：1.5X、2X 等）之間切換。乘法模式的改變會造成圖1效率曲線中步進的改變。如果沒有反饋調節(jié)的話,這種轉換器只能以成倍的輸入電壓提供輸出電壓。因此,存在不同的反饋調節(jié)方法來提供不同的輸出電壓。每種反饋方法都會不同地影響轉換器的效率與波紋,因此應根據應用的需要進行選擇。
基于感應器的 DC/DC 轉換器
基于感應器的開關轉換器 IC 包含控制電路與至少一個集成開關,而開關控制器 IC 只有控制電路且需要外部開關。帶有外部開關且基于感應器的開關轉換器與控制器的輸出電流范圍比無感應器的轉換器更廣泛。還存在幾種其他配置,其中一些配置是上述基本降壓、升壓及反向轉換器的簡單組合,因此為特定應用提供了更多功能或更高的性能。所有這些開關轉換器均至少將一個感應器用作儲能單元與輸出電容器。大負載范圍的高效性是開關轉換器與線性調節(jié)器及無感應器開關轉換器相比的主要優(yōu)勢。圖2說明了 TPS62200 降壓轉換器的效率曲線。
圖2：TPS62200 降 壓轉換器的效率曲線。
開關轉換器的主要缺點是成本（包含設計時間、元件數及板尺寸）,以及輸出噪聲／波紋。設計時間包括檢查各種配置、開關方式、操作模式以及反饋控制方案等,其中每種都會有較高的成本、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鍵還在于選擇外部元件,包括感應器、輸出電容器、以及可能用于外部開關的二極管或 FETS。所有這些設計選擇都使開關轉換器黯然失色,但是它能夠提供高效率,某些情況下甚至高達95％以上,這就彌補了設計時間和元件成本的劣勢。
針對應用而選擇最佳的分立 DC/DC 轉換器成為了成本、效率、以及輸出噪聲或波紋之間的一種權衡。表1根據4個因素對比了各種轉換器：最高輸出電流、效率、輸出波紋／噪聲及總成本。
表1：轉換器拓撲的相對比較
1 如果可從比控制 IC 更低的軌電壓中驅動路徑元件便可得以提高,并因此可進行降壓操作。
2 如果以成本及效率為代價在輸出中增加第二個輸出濾波器或添加一個線性調節(jié)器就可以得到提高。
1 如果可從比控制 IC 更低的軌電壓中驅動路徑元件便可得以提高,并因此可進行降壓操作。
2 如果以成本及效率為代價在輸出中增加第二個輸出濾波器或添加一個線性調節(jié)器就可以得到提高。
一旦選擇了 DC/DC 轉換器拓撲,設計人員就可以利用制造商提供的設計輔助材料來選擇能夠實現最高效率、最低成本或最低輸出噪聲及波紋的轉換器設計。
