今天的綠色 POL DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)需要高效率和低 I_Q

大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是由48V背板供電的。這個(gè)電壓通常要降至較低的24V、12V或5V的中間總線電壓，以向系統(tǒng)內(nèi)的電路板支架供電。然而，這些電路板上的大多數(shù)分支電路或集成電路要求在低于1～3.3V的電壓范圍內(nèi)工作，電流范圍為數(shù)十mA至數(shù)十A。因此，需要負(fù)載點(diǎn)(POL)DC/DC轉(zhuǎn)換器將24V、12V或5V電壓軌降至這些分支電路或集成電路所需的電壓和電流值。

由電池供電的便攜式產(chǎn)品制造商也面臨著日益增大的壓力，他們要將更多功能塞進(jìn)外形尺寸已經(jīng)受限的產(chǎn)品中，同時(shí)還要獲得更長的電池工作時(shí)間。例如，大多數(shù)便攜式媒體播放器(PMP)都有視頻和MP3播放功能。因此，內(nèi)部電子電路需要多種具有不同功率級(jí)的低壓輸出軌。很明顯，導(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因是，大多數(shù)大規(guī)模數(shù)字集成電路的工作電壓是 1.2V或更低，而同時(shí)存儲(chǔ)器和I/O電壓需求可能在2.2～3.3V之間。這樣，直接對(duì)鋰離子電池使用多個(gè)單POL DC/DC轉(zhuǎn)換器越來越不實(shí)用了，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)師正在采用更加集成化的方法。

與傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器相比，同步降壓型轉(zhuǎn)換器在電池工作時(shí)間上有極大改進(jìn)，因?yàn)樗岣吡宿D(zhuǎn)換效率。這類轉(zhuǎn)換器一般具有95%的轉(zhuǎn)換效率，而且?guī)缀鯚o須任何散熱措施。然而，這種高效率是以占用更多電路板空間為代價(jià)的，因?yàn)槊總€(gè)通道都要增加一個(gè)電感器，因此保持最小總體解決方案占板面積極其重要。通過將多個(gè)通道整合到一個(gè)同步降壓型解決方案中，這些通道就可以全部用一個(gè)輸入電容器工作，從而可保持解決方案占板面積最小。

為什么需要綠色電源

最近，“綠色環(huán)?！备拍顝V為流行，在新聞媒體中有大量報(bào)道。結(jié)果，大多數(shù)工業(yè)化國家普遍接受了需要節(jié)約能源這一觀點(diǎn)。這是因?yàn)?，隨著這些國家人口的增加，他們對(duì)能源的需求也增加了，他們需要給新房子的加熱/冷卻系統(tǒng)、照明和家用電器供電。不僅建立新的發(fā)電設(shè)施耗費(fèi)大量金錢，電能產(chǎn)生后向用戶供電的成本也很高。據(jù)觀察，與建立新的發(fā)電設(shè)施相比，將大多數(shù)家用電器的電流能耗降低15%～20%是更經(jīng)濟(jì)的做法。

由于建立新的發(fā)電設(shè)施成本很高，因此很多國家已經(jīng)采用了所謂的“綠色政策”，以此鼓勵(lì)制造商在最終產(chǎn)品中納入節(jié)能技術(shù)。在這種政策激勵(lì)下，很多電源管理產(chǎn)品供應(yīng)商在提高產(chǎn)品電源轉(zhuǎn)換效率和降低產(chǎn)品在備用模式時(shí)的功耗方面取得了很大進(jìn)步。

就用于節(jié)能型DC/DC轉(zhuǎn)換器的電源管理集成電路而言，必須具有兩個(gè)主要特點(diǎn)。首先，必須在寬負(fù)載電流范圍內(nèi)具有非常高的轉(zhuǎn)換效率。其次，在備用和停機(jī)模式時(shí)必須有低靜態(tài)電流。

就很多嵌入式系統(tǒng)而言，在電壓日益降低的情況下不斷提高電流這種需求，繼續(xù)推動(dòng)著電源系統(tǒng)的發(fā)展。在這一領(lǐng)域取得的很多進(jìn)步都可以追溯到電源轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域取得的成果，尤其是電源集成電路和電源半導(dǎo)體的改進(jìn)。總的來說，這些組件允許以對(duì)電源轉(zhuǎn)換效率影響最小的方式提高開關(guān)頻率，為提高電源性能做出了貢獻(xiàn)。能夠做到提高開關(guān)頻率并對(duì)效率影響最小，靠的是降低開關(guān)和接通狀態(tài)損耗以及容許高效率地去除熱量。不過，向較低輸出電壓遷移給這些因素帶來了更大的壓力，這又導(dǎo)致了極大的設(shè)計(jì)難題。

多相工作被認(rèn)為是用于轉(zhuǎn)換拓?fù)涞囊话阈孕g(shù)語，在這些拓?fù)渲?，用兩個(gè)或更多轉(zhuǎn)換器處理單個(gè)輸入，轉(zhuǎn)換器相互同步，但以不同的鎖定相位工作。這種方法減小了輸入紋波電流、輸出紋波電壓和總的RFI特征，同時(shí)在輸出電壓完全穩(wěn)定的情況下允許單個(gè)大電流輸出或多個(gè)較低電流輸出。就用一個(gè)單片器件提高輸出電流能力而言，它還允許使用較小的外部組件，因?yàn)槎鄠€(gè)較小的MOSFET可以非常容易地“在芯片上”制造出來。

圖1  LTC3425將兩節(jié)鎳鎘/鎳氫金屬電池電壓提高到3.3V

盡管降壓型轉(zhuǎn)換器應(yīng)用更加普遍，但是多相拓?fù)淇梢耘渲贸山祲骸⑸龎荷踔潦钦な?。今天，?2V輸入至1.xV輸出的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%是尋常之事。此外，通過運(yùn)用一種脈沖跳躍、脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)，還可以輕松地在橫跨多個(gè)數(shù)量級(jí)的負(fù)載電流范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)作。這還有一個(gè)附帶的好處，即向負(fù)載提供小電流時(shí)能夠獲得低靜態(tài)電流。通常情況下靜態(tài)電流在幾十μA范圍內(nèi)。

用于嵌入式系統(tǒng)的方案與用于電池供電的手持式設(shè)備的方案沒有太大不同，可能的例外是，很多便攜式應(yīng)用對(duì)組件高度有嚴(yán)格限制。這可能成為電源轉(zhuǎn)換器的難題，因?yàn)殡姼衅骱蜑V波電容器通常屬于最高的組件。然而，多相架構(gòu)非常適用于這類應(yīng)用，組件高度甚至降低到僅為1.5mm。

不同模擬集成電路供應(yīng)商提供的很多單片多相轉(zhuǎn)換器與可比較的單相轉(zhuǎn)換器相比，尺寸會(huì)更小，高度更低，能以更高效率和更低輸出紋波提供超過10W的輸出功率。

例如，考慮單片、同步、高開關(guān)頻率(每相高達(dá)2MHz)、四相電源集成電路架構(gòu)。這類產(chǎn)品的一個(gè)例子是LTC3425，如圖1所示。它允許使用多個(gè)體積小、成本低的電感器，而不是單個(gè)又大、又笨重的電感器，而且與同類單相電路相比，需要少得多的輸出濾波器電容，因?yàn)橛行У妮敵黾y波頻率高達(dá)8MHz。此外，所需的全部功率MOSFET都在芯片內(nèi)。這非常適用于需要使用扁平組件以及空間受限的電路板和便攜式設(shè)備。
另外，用多相方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器與設(shè)計(jì)傳統(tǒng)單相轉(zhuǎn)換器沒有不同。所有電源開關(guān)都在內(nèi)部，因此四相工作是透明的。所有四相的限流值和開關(guān)頻率都可以非常容易地用單個(gè)電阻編程，就像在單相設(shè)計(jì)中一樣。類似地，輸出電壓設(shè)置和環(huán)路補(bǔ)償與其他熟悉的DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)也沒有不同。

這種類型POL轉(zhuǎn)換器的同步四相架構(gòu)在寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高效率，同時(shí)允許使用扁平的組件。最后，由于輸出紋波電流以4:1的比例降低，因此用小尺寸和較低成本的陶瓷電容器就可實(shí)現(xiàn)非常低的輸出電壓紋波。

結(jié)語

由于在機(jī)箱內(nèi)空間有限和冷卻等多種限制因素，以及需要正確的電源跟蹤，以提高系統(tǒng)可靠性，幾乎任何系統(tǒng)的POL DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)師都面臨著很多難題。盡管必須克服大量限制因素，設(shè)計(jì)師們還是有路可走的，不同模擬集成電路制造商最近推出的很多穩(wěn)壓器，可提供簡單、緊湊、高效率和功能豐富的解決方案。