采用超低功耗、降壓DC-DC穩(wěn)壓器ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303設(shè)計(jì)反相電源

簡(jiǎn)介

某些應(yīng)用，例如雙極性放大器、光模塊、電荷耦合器件(CCD)偏置等，通常需要通過(guò)正 輸入電壓來(lái)提供負(fù)輸出電壓。 電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員需要多功能開(kāi)關(guān)控制器和穩(wěn)壓器，以便解決這些 電源管理挑戰(zhàn)。ADI公司的超 低功耗、降壓 DC-DC穩(wěn)壓器ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303，提供超低 靜態(tài)電流、同步降壓功能。這些穩(wěn)壓器的輸入電源電壓范圍為2.15 V至6.50 V，可降壓至0.8 V，并提供最高500 mA的輸出電流。

雖然ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303是針對(duì)同步降壓應(yīng)用而設(shè)計(jì)，但這些器件的多功能性使得它們能夠在不增加成本、外部元件數(shù)量和解決方案尺寸的情況下實(shí)現(xiàn)反相降壓/升壓 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)而通過(guò)正輸入電壓產(chǎn)生負(fù)輸出電壓。

超低 功耗技術(shù)使得ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303能夠在輕負(fù)載工作條件下采用遲滯模式實(shí)現(xiàn)高效率。這些器件還可在脈寬調(diào)制(PWM)模式下工作，實(shí)現(xiàn)低噪聲性能和重負(fù)載操作。

本應(yīng)用筆記介紹如何在同步反相降壓/升壓 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中實(shí)施ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303，以便從正輸入電源產(chǎn)生負(fù)輸出電壓。本應(yīng)用筆記還討論了降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一些限制和可能的解決方案。

降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本原理

圖1顯示了簡(jiǎn)化的降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它由一個(gè)電感、兩個(gè)彼此錯(cuò)相的電源開(kāi)關(guān)、一個(gè)輸入電容和一個(gè)輸出電容組成。

圖2和圖3分別是S1接通時(shí)和S1斷開(kāi)時(shí)的電流流向圖。接通時(shí)，開(kāi)關(guān)S1導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)，電流從輸入電容流出，給電感充電，輸出電容則向負(fù)載提供能量。斷開(kāi)時(shí)，開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)S2導(dǎo)通，電流從電感流向負(fù)載，同時(shí)給輸出電容充電。

注意，電流從接地端流向VOUT，從而產(chǎn)生負(fù)輸出電壓。

通過(guò)對(duì)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用電感伏秒平衡和電容電荷平衡原理，可寫(xiě)出穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換比，如方程1所示。方程2指定了PWM模式下的直流電感電流值IL。方程3給出了電感紋波電流ΔIL。

其中：

VOUT為輸出電壓。

VIN為輸入電壓。

D為占空比：

IOUT為輸出電流。

L為電感值。

fSW為開(kāi)關(guān)頻率。

利用ADP5300至ADP5303實(shí)現(xiàn)降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

利用同步降壓穩(wěn)壓器ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303實(shí)現(xiàn)降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)反相電源應(yīng)用時(shí)，應(yīng)考慮表1所列的設(shè)計(jì)限制。

表1.利用ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303實(shí)現(xiàn)降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)限制

降壓/升壓電路的最低輸入電壓必須高于ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303的UVLO電壓，穩(wěn)壓器工作的典型UVLO值為2.06 V。最大輸入電壓與輸出電壓絕對(duì)值之和必須小于穩(wěn)壓器的最大工作輸入電壓，其典型值為6.50 V。為使電路正常工作，確保電感峰值電流小于穩(wěn)壓器的最低限流觸發(fā)點(diǎn)。

圖4.利用ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303實(shí)現(xiàn)反相降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了將同步降壓穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電感和輸出電容須按照在降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的方式連接。注意，接地點(diǎn)和輸出電壓點(diǎn)反相(參見(jiàn)圖4)。輸出電壓與降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，由外部VID電阻設(shè)置。電阻值參見(jiàn)表2。

表2.通過(guò)VID引腳選擇輸出電壓(VOUT)

電感選擇

電感值取決于工作頻率、輸入電壓和電感紋波電流?？紤]到電感峰值電流，建議采用比降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所用電感更大的電感。然而，電感值不能過(guò)大，以免影響環(huán)路穩(wěn)定性。為避免過(guò)早產(chǎn)生電流限制，應(yīng)確保電感峰值電流不超過(guò)最低峰值限流閾值(PWM模式下為ILIM_PWM，遲滯模式下為ILIM_HYS)。

電感峰值電流等于電感平均電流與峰峰值電感紋波電流的一半之和。

考慮到電感峰值電流，對(duì)于PWM模式和遲滯模式下的常用輸入電壓，反相降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303的負(fù)載電流能力分別如圖5和圖6所示，假設(shè)電感值為4.7 μH，開(kāi)關(guān)頻率為2 MHz。

圖5.針對(duì)PWM模式下的常用輸入電壓的負(fù)載電流能力

圖6.針對(duì)遲滯模式下的常用輸入電壓的負(fù)載電流能力

電感的飽和電流必須大于電感峰值電流。對(duì)于具有快速飽和特性的鐵氧體磁芯電感，電感飽和電流額定值必須大于開(kāi)關(guān)的限流閾值，以防止電感在正常工作時(shí)發(fā)生飽和。

輸出電容選擇

注意，輸出電流在反相降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中是非連續(xù)的。在接通時(shí)，隨著電感中儲(chǔ)存的能量增加，輸出電容向負(fù)載提供能量。在斷開(kāi)時(shí)，電感同時(shí)向負(fù)載和輸出電容提供能量。

輸出電容值的一個(gè)主要問(wèn)題是容許的輸出電壓紋波，它取決于輸出電容的兩個(gè)參數(shù)。一個(gè)是電容值，另一個(gè)是輸出電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)。以下方程提供了讓輸出電壓紋波保持在容許范圍內(nèi)所需的最小電容估算值(COUT)：

其中：

ΔVRIPPLE為容許的輸出紋波電壓。

ESR為輸出電容的總等效串聯(lián)電阻。

IPEAK為電感峰值電流。

為了實(shí)現(xiàn)盡可能低的輸出紋波電壓，建議使用ESR值非常低的多層陶瓷電容(MLCC)。所選輸出電容的均方根電流額定值必須大于下式計(jì)算值：

輸入電容選擇

在反相降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，輸入電流也是非連續(xù)的。假設(shè)在電源接通時(shí)輸入電容能量損耗所引起的輸入電壓偏差小于輸入電壓的5%，則通過(guò)下式可計(jì)算滿足此要求所需的最小輸入電容(CIN)：

其中：

IAVG為電感平均電流。

為輸入電容的等效串聯(lián)電阻。

建議至少使用一個(gè)10 µF陶瓷電容，而且其必須盡可能靠近PVIN引腳放置。所選輸入電容的電流均方根值必須大于下式計(jì)算值：

雖然輸入電壓軌上的大多數(shù)電容都以系統(tǒng)接地為基準(zhǔn)，但在輸入電壓與ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303的PGND引腳之間再放置一個(gè)輸入去耦電容可以減小輸出電壓紋波，并改善瞬態(tài)響應(yīng)性能，如圖7所示。

圖7.PVIN與PGND引腳之間連接輸入去耦電容的反相降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

使能信號(hào)電平轉(zhuǎn)換

ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303有一個(gè)EN引腳，用于使能和禁用穩(wěn)壓器。然而，在反相降壓/升壓應(yīng)用中，IC以負(fù)輸出電壓(而不是系統(tǒng)接地)為基準(zhǔn)。如果試圖禁用穩(wěn)壓器而將EN引腳連接至系統(tǒng)接地點(diǎn)，結(jié)果有可能是ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303仍在工作。

為此，可能的解決方案之一是使用超低功耗反相器、P型金屬氧化物 半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)和電阻，并通過(guò)合理連接形成EN電平轉(zhuǎn)換電路，如圖8所示。

圖8.反相降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的EN電平轉(zhuǎn)換電路

注意，使用電平轉(zhuǎn)換電路時(shí)，ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303的精確使能特性不復(fù)存在。如果不需要使能功能，只需將EN引腳連接到輸入電壓，如圖8所示。

啟動(dòng)前降低VOUT斜升

利用同步降壓穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)反相降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是輸出電壓可能斜升，并在穩(wěn)壓器開(kāi)始工作前變?yōu)檎妷?參見(jiàn)圖9)。

圖9.啟動(dòng)前VOUT斜升

造成這種正輸出電壓斜升的原因是穩(wěn)壓器的關(guān)斷電流，此電流從IC的PGND引腳經(jīng)過(guò)低端MOSFET的體二極管，再回到系統(tǒng)接地點(diǎn)，如圖10所示。低端MOSFET的體二極管將VOUT箝位在體二極管的正向電壓水平，其典型值通常在180 mV左右，因?yàn)锳DP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303關(guān)斷電流非常小。

圖10.電流經(jīng)過(guò)低端MOSFET的體二極管

VOUT連接至穩(wěn)壓器的PGND引腳，該引腳實(shí)際上是UVLO等內(nèi)部電路的基準(zhǔn)點(diǎn)，因此PGND引腳上的正電壓會(huì)降低UVLO閾值電壓。輸入電壓非常接近穩(wěn)壓器的UVLO閾值電壓(典型值為2.06 V)時(shí)，穩(wěn)壓器可能無(wú)法啟動(dòng)。

當(dāng)用于實(shí)施本應(yīng)用筆記所述的反相降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，幾乎所有同步降壓穩(wěn)壓器都會(huì)出現(xiàn)此問(wèn)題，很難徹底消除。

結(jié)論

在反相降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中實(shí)施ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303的方案可以像降壓方案一樣簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、小巧。當(dāng)需要使能/禁用功能時(shí)，本應(yīng)用筆記提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的EN電平轉(zhuǎn)換電路。本應(yīng)用筆記還探討了在反相降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中應(yīng)用同步降壓穩(wěn)壓器時(shí)出現(xiàn)的VOUT斜升至正電壓的問(wèn)題。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員遵循本應(yīng)用筆記中的設(shè)計(jì)方程和建議，就能確保設(shè)計(jì)出穩(wěn)健且滿足所有要求的方案。