一文帶你了解降壓型穩(wěn)壓芯片原理

前言

在電路系統(tǒng)設(shè)計中，總是離不開電源芯片的使用，林林總總的電源芯片非常多，比如傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器7805、低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)、開關(guān)型降壓穩(wěn)壓器(Buck DCDC)等，那么它們到底有什么區(qū)別呢?Excelpoint世健的工程師Wolfe Yu在此對各種降壓型穩(wěn)壓芯片的原理進行了科普。

降壓型穩(wěn)壓芯片的主要分類

串聯(lián)線性穩(wěn)壓電路原理

串聯(lián)線性穩(wěn)壓電路主要思路來自于基本線性調(diào)整模型。在輸入直流電壓和負載之間串入一個三極管，其作用就是當(dāng)輸出阻抗發(fā)生變化引起輸出電壓同步變化時，通過某種反饋形式使三極管的發(fā)射極也隨之變化，從而調(diào)整輸出電壓值，以保持輸出電壓基本穩(wěn)定。由于串入的三極管是起著電壓調(diào)整作用的，所以，這個三極管也稱為調(diào)整管。

圖1 LDO基本模型

基本線性調(diào)整管的輸出電壓，主要由穩(wěn)壓管的電壓來決定，無法實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。為了讓輸出電壓可以自由設(shè)定，從而不受穩(wěn)壓管影響，一般會加入運算放大器，通過比例系數(shù)調(diào)節(jié)輸出電壓。

圖2 可調(diào)LDO模型

LDO直流輸入電壓和負載調(diào)整率、輸入電壓和負載瞬態(tài)響應(yīng)、電源抑制比(PSRR)、輸出噪聲和精度在各種降壓型穩(wěn)壓器中，都是最優(yōu)，對于高精度模擬前端應(yīng)用場合十分必要。所以，產(chǎn)品應(yīng)用的核心電源，都會采用高精度LDO供電。

圖3 LDO主要功耗模型

LDO也會面臨另一個問題，效率比較低。主要是穩(wěn)壓調(diào)整管所需擊穿飽和電流、運放反饋回路電流、以及輸出電壓與壓差和電流產(chǎn)生的熱能損耗等等。一般來說，我們把輸入電流和Iin輸出電流Iout的差值，稱為接地電流(IGND)，接地電流包括靜態(tài)電流(IQ)，LDO的效率公式如下。

接地電流是影響LDO效率的一個因素，但是，相對于調(diào)整管的壓降來說，如同九牛一毛，可以忽略不計。真正影響LDO效率的是輸入輸出之間的電壓差。

一般來說，市面上常用的串聯(lián)線性穩(wěn)壓電路通常會采用五種常用的結(jié)構(gòu)，大體分為：經(jīng)典NPN型結(jié)構(gòu)LDO(A)、基于PNP驅(qū)動的NPN輸出型低壓差結(jié)構(gòu)LDO(B)、PNP型低壓差結(jié)構(gòu)LDO(C)、P溝道低壓差LDO(D)、N溝道低壓差LDO(E)。

圖4 常見LDO產(chǎn)品架構(gòu)

初步分析：經(jīng)典NPN型結(jié)構(gòu)LDO，輸入輸出壓差基本要求滿足3V左右?；赑NP驅(qū)動的NPN輸出型低壓差結(jié)構(gòu)LDO，輸入輸出壓差需要達到1.5V。PNP型低壓差結(jié)構(gòu)LDO、P溝道低壓差LDO和N溝道低壓差LDO屬于真正的低壓差LDO，P溝道低壓差LDO對于散熱要求很高，N溝道低壓差LDO相對工藝復(fù)雜。PNP型低壓差結(jié)構(gòu)LDO相對簡單，輸入輸出壓差基本控制在0.3V——0.6V之間。市面上，選擇C和D方案作為LDO架構(gòu)的廠商較多。

串聯(lián)開關(guān)穩(wěn)壓電路原理

前面我們提到，LDO有著較大的負載調(diào)整率、輸入電壓和負載瞬態(tài)響應(yīng)、電源抑制比(PSRR)、輸出噪聲和精度。但是由于效率太低，隨著節(jié)能減排、PCBA的布局布線等要求，在很多高壓差的場合，人們不得不尋求新的替代方案。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)和磁性材料的發(fā)展，通過調(diào)整開關(guān)管通斷、采用換能的方式，輸出相對穩(wěn)定的電壓的DCDC應(yīng)運而生。

圖5 Buck DCDC基本拓撲

正常工作狀態(tài)下，BUCK型DCDC主要工作在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)，這種模式下，電感器上有連續(xù)電流，這種情況也稱為重載模式，DCDC主要是通過電感電壓伏秒平衡原理，來實現(xiàn)降壓功能。

圖6 Buck DCDC連續(xù)導(dǎo)通模式及輸出波形

從上圖來看，我們可以計算出BUCK型DCDC的輸出電壓和輸入電壓之間的關(guān)系，主要依賴于開關(guān)管的導(dǎo)通時間。

對于開關(guān)電源來說，影響開關(guān)電源功耗的因素，主要集中在開關(guān)管MOSEFET、門極驅(qū)動、電感磁芯損耗和線損上面。

圖7 Buck DCDC主要損耗因素

相對于線性穩(wěn)壓電源來說，開關(guān)穩(wěn)壓電源的效率可以達到90%以上，相對損耗幾乎忽略不計。所以，在很多應(yīng)用場合，特別是較大輸出壓差和較大輸出功率的情況下，工程師幾乎統(tǒng)一都是采用這種Buck電源。

開關(guān)電源Buck電路的控制方案

PWM脈沖調(diào)制技術(shù)

傳統(tǒng)電流模式的開關(guān)電源，采用的方式是將采樣電流與電壓反饋環(huán)路中誤差放大器的輸出進行比較，以生成控制MOSFET的PWM脈沖。

圖8 PWM核心控制機理

電壓模式是PWM脈沖調(diào)制一種常用的調(diào)制方式，主要采用固定頻率三角波和誤差做比較，采用三角波和誤差幅值調(diào)整占空比。

圖9 電壓調(diào)整模式架構(gòu)

峰值電流模式是PWM脈沖調(diào)制的另一種常用的調(diào)制方式，占空比主要由電流環(huán)決定，電壓環(huán)決定電流信號參考。

圖10 峰值電流模式架構(gòu)

COT調(diào)制技術(shù)

PWM頻率恒定，其在整個負載頻率范圍內(nèi)的紋波電壓和輸出噪聲都是非常低的，每個開關(guān)管在切換的時候都會產(chǎn)生開關(guān)損耗，特別是其在輕負載時，還保持較高的開關(guān)頻率，開關(guān)損耗比重加大，效率會降低。

圖11 DCM模式電感電流環(huán)示意

我們知道，當(dāng)負載電流非常小時，或者說電感器的值小于臨界電感時，轉(zhuǎn)換器開關(guān)就會工作在不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)。極端情況下，假設(shè)負載為0，轉(zhuǎn)換器開關(guān)就會只轉(zhuǎn)換一次就不再工作。實際上，由于開關(guān)電源的ESR，反饋回路等等形成的阻抗產(chǎn)生電路損耗。此時，控制MOSFEET的PWM脈沖寬度明顯小于正常連續(xù)開通模式(CCM)的脈沖寬度。

圖12 DCM模式電感電壓與電流波形

同時，每個MOSFEET開關(guān)管的切換時間，總是存在相對固定的開通和關(guān)斷時間，這就是開關(guān)損耗。如果我們在DCM模式下，能降低開關(guān)切換頻率。就會降低開關(guān)損耗。

基于PFM的COT可以很好的解決上述難題，與傳統(tǒng)電壓/電流模式控制相比，恒定導(dǎo)通時間控制(COT)結(jié)構(gòu)則非常簡單，它通過反饋電阻來采樣輸出電壓，然后將輸出電壓紋波谷值直接與參考電壓進行對比，生成固定的導(dǎo)通時間脈沖來導(dǎo)通上管MOSFET。

圖13 COT核心控制機理

COT架構(gòu)無需傳統(tǒng)電壓/電流模式DC/DC控制中的補償網(wǎng)絡(luò)，只需要一個參考比較器輸出來觸發(fā)定時脈沖發(fā)生器。變換器的設(shè)計更加簡單，因為元器件變得更少，也無需花費很多時間來調(diào)整補償值。COT 變頻控制結(jié)構(gòu)在輕載時，脈沖頻率得到了進一步的降低，可以保持較高的效率。COT架構(gòu)也存在一些缺點：首先，每次導(dǎo)通時間固定，頻率會隨占空比發(fā)生變化，針對這種情況，我們一般在電路上調(diào)整假負載，控制頻率因素。其次，COT架構(gòu)的另一個缺點，需要依靠FB引腳上的紋波調(diào)整占空比，輸出紋波很大。

多相交錯并聯(lián)降壓技術(shù)

如果變換器的開關(guān)頻率一致，并且在各變換器之間加一定的相移，可以減少輸入輸出電流紋波，這種稱之為多相交錯并聯(lián)降壓技術(shù)。

圖14 多相交錯并聯(lián)移向技術(shù)架構(gòu)

多相交錯并聯(lián)Buck型DCDC變換器是由多個變換器并聯(lián)，共同為負載提供電流。每個驅(qū)動信號頻率相同，相位錯開。

圖15多相交錯并聯(lián)移向電流紋波

用交錯并聯(lián)后電流由交錯電流疊加，如果疊加相位匹配控制得好，電流紋波會隨相位增加而降低，電壓紋波也會相應(yīng)降低。

多相交錯并聯(lián)COT架構(gòu)電源對于輕載、重載自由切換的大功率通信應(yīng)用場合意義十分重大，特別是5G通信電源，需要滿足超大射頻發(fā)射功率等應(yīng)用場景。

Microchip基于雙相交錯先進COT Buck電源的解決方案

Excelpoint世健代理的產(chǎn)品線Microchip推出基于雙相交錯先進恒定導(dǎo)通時間(COT)同步降壓控制器的MIC21LV33系列電源芯片。該芯片采用獨特的自適應(yīng)導(dǎo)通時間控制架構(gòu)，支持超輕負載模式和切相功能?？刂撇糠植捎贸咚倏刂破?，在中等負載至重負載條件下支持超快速瞬態(tài)響應(yīng)。支持從外部通過電容編程軟啟動，實現(xiàn)安全啟動進入重載模式。該芯片還集成一個遠程檢測放大器，用于精確控制輸出電壓。

MIC21LV33提供全套保護功能，確保在故障狀態(tài)期間保護芯片。包括：電源電壓跌落條件下正常工作的欠壓鎖定、降低浪涌電流的可編程軟啟動、過壓放電、“打嗝”模式短路保護、以及熱關(guān)斷。

MIC21LV33產(chǎn)品主要特征：

-輸入電壓范圍：4.5V——36V

-輸出電壓、電流：0.6V——28V，最低0.6V，精度±1%。最大輸出電流：50A。

-開關(guān)頻率范圍：100kHz——1MHz/Phase

-MIC21LV33集成遠程檢測放大器，用于精確控制輸出電壓。

-封裝：32腳 5mm x 5mm VQFN

-溫度范圍：-40℃——125℃。

圖16 MIC21LV33 評估板

MIC21LV33該產(chǎn)品可應(yīng)用于：分布式電源系統(tǒng)、通信/網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、打印機、掃描儀、視頻設(shè)備、以及FPGA/CPU/MEM/GPU內(nèi)核電源。該產(chǎn)品可以支持最大8相堆疊，電流輸出高達200A。滿足各種應(yīng)用場景，Excelpoint世健可提供相應(yīng)技術(shù)指導(dǎo)及樣品支持。