今天的綠色 POL DC/DC 轉(zhuǎn)換器設計需要高效率和低 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，需要負載點(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外形尺寸已經(jīng)受限的產(chǎn)品中，同時還要獲得更長的電池工作時間。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的低壓輸出軌。很明顯，導致這一結(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，而同時存儲器和I/O電壓需求可能在2.2～3.3V之間。這樣，直接對鋰離子電池使用多個單POL DC/DC轉(zhuǎn)換器越來越不實用了，因此系統(tǒng)設計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)換器在電池工作時間上有極大改進，因為它提高了轉(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的，因為每個通道都要增加一個電感器，因此保持最小總體解決方案占板面積極其重要。通過將多個通道整合到一個同步降壓型解決方案中，這些通道就可以全部用一個輸入電容器工作，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)保”概念廣為流行，在新聞媒體中有大量報道。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。這是因為，隨著這些國家人口的增加，他們對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)電設施耗費大量金錢，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)濟的做法。

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

就用于節(jié)能型DC/DC轉(zhuǎn)換器的電源管理集成電路而言，必須具有兩個主要特點。首先，必須在寬負載電流范圍內(nèi)具有非常高的轉(zhuǎn)換效率。其次，在備用和停機模式時必須有低靜態(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)推動著電源系統(tǒng)的發(fā)展。在這一領域取得的很多進步都可以追溯到電源轉(zhuǎn)換技術領域取得的成果，尤其是電源集成電路和電源半導體的改進?？偟膩碚f，這些組件允許以對電源轉(zhuǎn)換效率影響最小的方式提高開關頻率，為提高電源性能做出了貢獻。能夠做到提高開關頻率并對效率影響最小，靠的是降低開關和接通狀態(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，這又導致了極大的設計難題。

多相工作被認為是用于轉(zhuǎn)換拓撲的一般性術語，在這些拓撲中，用兩個或更多轉(zhuǎn)換器處理單個輸入，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，同時在輸出電壓完全穩(wěn)定的情況下允許單個大電流輸出或多個較低電流輸出。就用一個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，因為多個較小的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)換器應用更加普遍，但是多相拓撲可以配置成降壓、升壓甚至是正激式。今天，從12V輸入至1.xV輸出的轉(zhuǎn)換效率高達95%是尋常之事。此外，通過運用一種脈沖跳躍、脈寬調(diào)制(PWM)技術，還可以輕松地在橫跨多個數(shù)量級的負載電流范圍內(nèi)實現(xiàn)高效運作。這還有一個附帶的好處，即向負載提供小電流時能夠獲得低靜態(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備的方案沒有太大不同，可能的例外是，很多便攜式應用對組件高度有嚴格限制。這可能成為電源轉(zhuǎn)換器的難題，因為電感器和濾波電容器通常屬于最高的組件。然而，多相架構(gòu)非常適用于這類應用，組件高度甚至降低到僅為1.5mm。

不同模擬集成電路供應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、高開關頻率(每相高達2MHz)、四相電源集成電路架構(gòu)。這類產(chǎn)品的一個例子是LTC3425，如圖1所示。它允許使用多個體積小、成本低的電感器，而不是單個又大、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，因為有效的輸出紋波頻率高達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備。
另外，用多相方法設計轉(zhuǎn)換器與設計傳統(tǒng)單相轉(zhuǎn)換器沒有不同。所有電源開關都在內(nèi)部，因此四相工作是透明的。所有四相的限流值和開關頻率都可以非常容易地用單個電阻編程，就像在單相設計中一樣。類似地，輸出電壓設置和環(huán)路補償與其他熟悉的DC/DC轉(zhuǎn)換器設計也沒有不同。

這種類型POL轉(zhuǎn)換器的同步四相架構(gòu)在寬負載范圍內(nèi)實現(xiàn)了高效率，同時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現(xiàn)非常低的輸出電壓紋波。

結(jié)語

由于在機箱內(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)換器設計師都面臨著很多難題。盡管必須克服大量限制因素，設計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。