電源工程師設(shè)計(jì)札記（一）：輕松完成電源設(shè)計(jì)

　　降壓轉(zhuǎn)換器關(guān)鍵規(guī)格和定義

　　輸入電壓范圍：降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍決定了最低的可用輸入電源電壓。規(guī)格可能提供很寬的輸入電壓范圍，但VIN 必須高于VOUT才能實(shí)現(xiàn)高效率工作。例如，要獲得穩(wěn)定的 3.3 V輸出電壓，輸入電壓必須高于 3.8 V。

　　地電流或靜態(tài)電流：IQ是未輸送給負(fù)載的直流偏置電流。器件的IQ越低，則效率越高。然而，IQ可以針對(duì)許多條件進(jìn)行規(guī)定，包括關(guān)斷、零負(fù)載、PFM工作模式或PWM工作模式。因此，為了確定某個(gè)應(yīng)用的最佳降壓調(diào)節(jié)器，最好查看特定工作電壓和負(fù)載電流下的實(shí)際工作效率數(shù)據(jù)。

　　關(guān)斷電流： 這是使能引腳禁用時(shí)器件消耗的輸入電流，對(duì)低功耗降壓調(diào)節(jié)器來(lái)說(shuō)通常遠(yuǎn)低于 1µA。這一指標(biāo)對(duì)于便攜式設(shè)備處于睡眠模式時(shí)電池能否具有長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間很重要。

　　輸出電壓精度： ADI 公司的降壓轉(zhuǎn)換器具有很高的輸出電壓精度，固定輸出器件在工廠制造時(shí)就被精確調(diào)整到±2%之內(nèi)（25°C）。輸出電壓精度在工作溫度、輸入電壓和負(fù)載電流范圍條件下加以規(guī)定，最差情況下的不精確性規(guī)定為±x%。

　　線路調(diào)整率： 線路調(diào)整率是指額定負(fù)載下輸出電壓隨輸入電壓變化而發(fā)生的變化率。

　　負(fù)載調(diào)整率： 負(fù)載調(diào)整率是指輸出電壓隨輸出電流變化而發(fā)生的變化率。對(duì)于緩慢變化的負(fù)載電流，大多數(shù)降壓調(diào)節(jié)器都能保持輸出電壓基本上恒定不變。

　　負(fù)載瞬變：如果負(fù)載電流從較低水平快速變化到較高水平，導(dǎo)致工作模式在 PFM 與 PWM 之間切換，或者從 PWM 切換到 PFM，就可能產(chǎn)生瞬態(tài)誤差。并非所有數(shù)據(jù)手冊(cè)都會(huì)規(guī)定負(fù)載瞬變，但大多數(shù)數(shù)據(jù)手冊(cè)都會(huì)提供不同工作條件下的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)曲線。

　　限流：ADP2138 等降壓調(diào)節(jié)器內(nèi)置保護(hù)電路，限制流經(jīng) PFET 開關(guān)和同步整流器的正向電流。正電流控制限制可從輸入端流向輸出端的電流量。負(fù)電流限值防止電感電流反向并流出負(fù)載。

　　軟啟動(dòng)：內(nèi)部軟啟動(dòng)功能對(duì)于降壓調(diào)節(jié)器非常重要，它在啟動(dòng)時(shí)控制輸出電壓緩升，從而限制浪涌電流。這樣，當(dāng)電池或高阻抗電源連接到轉(zhuǎn)換器輸入端時(shí)，可以防止輸入電壓下降。器件使能后，內(nèi)部電路開始上電周期。

　　啟動(dòng)時(shí)間是指使能信號(hào)的上升沿至VOUT達(dá)到其標(biāo)稱值的 90%的時(shí)間。這個(gè)測(cè)試通常是在施加VIN、使能引腳從斷開切換到接通的條件下進(jìn)行。在使能引腳連接到VIN的情況下，當(dāng)VIN從關(guān)斷切換到開啟時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間可能會(huì)大幅增加，因?yàn)榭刂骗h(huán)路需要一定的穩(wěn)定時(shí)間。在調(diào)節(jié)器需要頻繁啟動(dòng)和關(guān)閉以節(jié)省功耗的便攜式系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的啟動(dòng)時(shí)間是一個(gè)重要的考慮因素。

　　熱關(guān)斷（TSD）： 當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度超過(guò)規(guī)定的限值時(shí)，熱關(guān)斷電路就會(huì)關(guān)閉調(diào)節(jié)器。極端的結(jié)溫可能由工作電流高、電路板冷卻不佳或環(huán)境溫度高等原因引起。保護(hù)電路包括一定的遲滯，防止器件在芯片溫度降至預(yù)設(shè)限值以下之前返回正常工作狀態(tài)。

　　100%占空比工作： 隨著VIN下降或ILOAD上升，降壓調(diào)節(jié)器會(huì)達(dá)到一個(gè)限值：即使PFET開關(guān)以 100%占空比導(dǎo)通，VOUT仍低于預(yù)期的輸出電壓。此時(shí)，ADP2138 平滑過(guò)渡到可使PFET 開關(guān)保持 100%占空比導(dǎo)通的模式。當(dāng)輸入條件改變時(shí)，器件立即重新啟動(dòng)PWM調(diào)節(jié)，VOUT不會(huì)過(guò)沖。

　　放電開關(guān)： 在某些系統(tǒng)中，如果負(fù)載非常小，降壓調(diào)節(jié)器的輸出可能會(huì)在系統(tǒng)進(jìn)入睡眠模式后的一定時(shí)間內(nèi)仍然保持較高水平。然而，如果系統(tǒng)在輸出電壓放電之前啟動(dòng)上電序列，系統(tǒng)可能會(huì)發(fā)生閂鎖，或者導(dǎo)致器件受損。當(dāng)使能引腳變?yōu)榈碗娖交蚱骷M(jìn)入欠壓閉鎖/熱關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，ADP2139 降壓調(diào)節(jié)器通過(guò)集成的開關(guān)電阻（典型值 100 Ω）給輸出放電。

　　欠壓閉鎖： 欠壓閉鎖（UVLO）可以確保只有在系統(tǒng)輸入電壓高于規(guī)定閾值時(shí)才向負(fù)載輸出電壓。UVLO 很重要，因?yàn)樗辉谳斎腚妷哼_(dá)到或超過(guò)器件穩(wěn)定工作要求的電壓時(shí)才讓器件上電。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　低功耗降壓調(diào)節(jié)器使開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)不再神秘。ADI 公司提供一系列高集成度、堅(jiān)固耐用、易于使用、高性價(jià)比的降壓調(diào)節(jié)器，只需極少的外部元件就能實(shí)現(xiàn)高工作效率。

　　5、同步降壓調(diào)節(jié)器ADP2118的簡(jiǎn)單應(yīng)用

　　伴隨著許多低功耗器件的應(yīng)用，越來(lái)越多的降壓調(diào)節(jié)器芯片很受電子工程師們的親睞，在這里我向大家推薦一款我用過(guò)的同步降壓調(diào)節(jié)器芯片ADP2118，具有低靜態(tài)電流、同步、降壓DC-DC調(diào)節(jié)器，特別是其4mm×4mm的LFCP封裝，對(duì)于現(xiàn)在的產(chǎn)品要求小型化，更是特別的適合。

　　ADP2118采用2.3V至5.5V輸入電壓工作，輸出電壓可以在0.6V至輸入電壓Vin的范圍內(nèi)靈活調(diào)整。另外，ADP2118提供許多固定輸出的，比如3.3V，2.5V等常用的低電壓，只需在輸入和輸出端增加濾波電路就行，應(yīng)用很簡(jiǎn)單的。下面我還是從5V轉(zhuǎn)換為3.3V的典型電路上分析一下ADP2118的應(yīng)用：

　　從以上連接我們可以看出，ADP2118的外圍電路非常簡(jiǎn)單，輸入電壓為5V，輸出電壓3.3V通過(guò)分壓電阻R10和R11得到。作為同步降壓型調(diào)節(jié)器，ADP2118的引腳：

　　Pin1為同步輸入引腳，當(dāng)此引腳與VIN相連時(shí)，PFM模式禁用，ADP2118僅工作在電流連續(xù)導(dǎo)通模式，此引腳與地連接時(shí)，PFM模式使能；

　　Pin2為頻率選擇，當(dāng)連接至GND選擇600Hz，連接至VIN時(shí)選擇1.2MHz；

　　Pin3為跟蹤輸入，要跟蹤主電壓，從主電壓的分壓器引出電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)TRK，如果不跟蹤，就直接連接至VIN；

　　作為常用的電路，我們選擇ADP2118工作在電流連續(xù)導(dǎo)通模式，工作頻率為1.2MHz，不采用跟蹤模式，故直接連接將Pin1、Pin2和Pin3至VIN引腳；

　　ADP2118的其余引腳，根據(jù)定義去連接，記得連接上輸出電感和濾波電容哦。由于ADP2118根據(jù)負(fù)載的大小決定工作模式，當(dāng)輕載時(shí)切換到PFM模式，中載至滿載時(shí)切換到電流連續(xù)導(dǎo)通模式。經(jīng)過(guò)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)PFM模式下ADP2118輸出電壓的紋波遠(yuǎn)大于PWM模式下輸出電壓，故推薦使用PWM模式，即典型電路連接方式。

　　最后，也是ADP2118的特色，集成有軟啟動(dòng)，用于限制輸出電壓上升時(shí)間并減少啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流，軟啟動(dòng)的固定時(shí)間周期為2048個(gè)時(shí)鐘周期。

　　以上是我在應(yīng)用ADP2118時(shí)的某些發(fā)現(xiàn)，希望能給大家的電源芯片選擇方面帶來(lái)某些幫助，將感到無(wú)比欣慰。謝謝！

　　6、用20位DAC實(shí)現(xiàn)1 ppm精度——精密電壓源

　　高分辨率數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的常見用途之一是提供可控精密電壓。分辨率高達(dá)20位、精度達(dá)1 ppm且具有合理速率的DAC的應(yīng)用范圍包括醫(yī)療MRI系統(tǒng)中的梯度線圈控制、測(cè)試和計(jì)量中的精密直流源、質(zhì)譜測(cè)定和氣譜分析中的精密定點(diǎn)和位置控制以及科學(xué)應(yīng)用中的光束檢測(cè)。

　　隨著時(shí)間的推移，半導(dǎo)體處理和片內(nèi)校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于精密集成電路DAC的定義也不斷變化。高精度12 位DAC一度被認(rèn)為遙不可及；近年來(lái)，16 位精度已日益在精密醫(yī)學(xué)、儀器儀表、測(cè)試和計(jì)量應(yīng)用中得到廣泛運(yùn)用；在未來(lái)，控制系統(tǒng)和儀器儀表系統(tǒng)甚至需要更高的分辨率和精度。

　　高精密應(yīng)用目前要求18/20位、1 ppm精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器，以前只有笨重、昂貴、慢速的Kelvin-Varley分壓器才能達(dá)到這一性能水平——屬于標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的專利，幾乎不適用于現(xiàn)實(shí)儀器儀表系統(tǒng)。針對(duì)這類要求且采用IC DAC組件，更便利的半導(dǎo)體1 ppm 精度解決方案已推出數(shù)年，但此類復(fù)雜系統(tǒng)需要使用多種器件，需要不斷進(jìn)行校準(zhǔn)，還需十分謹(jǐn)慎才可取得理想精度，而且體積大、成本高（見附錄）。長(zhǎng)久以來(lái)，精密儀器儀表市場(chǎng)都需要一種更簡(jiǎn)單，具有成本優(yōu)勢(shì)，無(wú)需校準(zhǔn)或持續(xù)監(jiān)控，簡(jiǎn)單易用，而且提供保證性能規(guī)格的DAC。目前，從16 位和18 位單芯片轉(zhuǎn)換器（如DAC）自然升級(jí)已成為可能。

　　AD5791 1 ppm DAC

　　半導(dǎo)體處理技術(shù)、DAC架構(gòu)設(shè)計(jì)和快速片內(nèi)校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展使穩(wěn)定、建立時(shí)間短的高線性度數(shù)模轉(zhuǎn)換器成為可能。這種轉(zhuǎn)換器可提供高優(yōu)于1 ppm的相對(duì)精度、0.05 ppm/°C溫度漂移、0.1 ppm p-p噪聲、優(yōu)于1 ppm的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和1MHz吞吐量。這類小型單芯片器件保證性能規(guī)格，無(wú)需校準(zhǔn)且簡(jiǎn)單易用。AD5791及其配套基準(zhǔn)電壓源和輸出緩沖的典型功能框圖如圖1所示。

　　圖1. AD5791典型工作框圖。

　　AD5791是一款單芯片、20 位、電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器，具有額定的1 LSB（最低有效位）積分非線性度（INL）和微分非線性度（DNL），是業(yè)界首款單芯片1 ppm 精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（1 LSB@20位為220分之一 =1，048，576分之一 = 1 ppm）。該器件設(shè)計(jì)用于高精密儀器儀表以及測(cè)試和計(jì)量系統(tǒng)，與其他解決方案相比，其整體性能有較大提升，具有更高的精度、體積更小、成本更低，使以前不具經(jīng)濟(jì)可行性的儀器儀表應(yīng)用成為可能。

　　其設(shè)計(jì)（如圖2所示）采用精密電壓模式R-2R架構(gòu)，利用了最新的薄膜電阻匹配技術(shù)，并通過(guò)片內(nèi)校準(zhǔn)例程來(lái)實(shí)現(xiàn)1 ppm精度。由于AD5791采用工廠校準(zhǔn)模式，因而運(yùn)行時(shí)無(wú)需校準(zhǔn)程序，其延遲不超過(guò)100 ns，可用于波形生成應(yīng)用及快速控制環(huán)路。

　　圖2. DAC梯形結(jié)構(gòu)。

　　AD5791不但提供出色的線性度，而且可具有9 nV/√Hz噪聲密度、0.1 Hz至10 Hz頻帶內(nèi)0.6 μV峰峰值噪聲、0.05 ppm/°C溫度漂移，且其1000小時(shí)長(zhǎng)期穩(wěn)定性優(yōu)于0.1 ppm。

　　作為一種高電壓器件，采用雙電源供電，最高±16.5 V。輸出電壓范圍由正負(fù)基準(zhǔn)電壓VREFP和VREFN決定，提供了靈活的輸出范圍選擇。

　　AD5791所用精密架構(gòu)要求使用高性能外置放大器來(lái)緩沖來(lái)自3.4 k? DAC電阻的基準(zhǔn)源，為基準(zhǔn)輸入引腳的加載感應(yīng)提供方便，以確保AD5791的1 ppm線性度。AD5791需要一個(gè)輸出緩沖來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，以減輕3.4 k?輸出阻抗的負(fù)擔(dān)——除非驅(qū)動(dòng)的是一個(gè)極高阻抗、低電容負(fù)載——或者衰減處于容限之內(nèi)并可預(yù)測(cè)。

　　由于放大器為外置型，可根據(jù)噪聲、溫度漂移和速度的優(yōu)化需要進(jìn)行選擇——并可調(diào)整比例因子——具體視應(yīng)用需要而定。對(duì)于基準(zhǔn)緩沖，建議采用AD8676 雙通道放大器，其具有低噪聲、低失調(diào)誤差、低失調(diào)誤差漂移和低輸入偏置電流的特點(diǎn)?；鶞?zhǔn)緩沖的輸入偏置電流特性非常重要，因?yàn)檫^(guò)大的偏置電流會(huì)降低直流線性度。積分非線性度的降低（單位：ppm）為輸入偏置電流的函數(shù)，一般表示為：

　　其中，IBIAS 單位為 nA；VREFP和VREFN的單位均為伏特。例如，對(duì)于±10 V的基準(zhǔn)輸入范圍，100 nA的輸入偏置電流將使INL提高0.05 ppm。