電源工程師設(shè)計(jì)札記:輕松完成電源設(shè)計(jì)

　　閉環(huán)電源余量微調(diào)

　　一種更精確、更全面的余量微調(diào)方法是在閉環(huán)系統(tǒng)中使用類似的電路。圖4所示為針對1.2 V輸出的一個(gè)例子。要微調(diào)的電源軌電壓可以通過VX2回讀，確保將其精確調(diào)整到目標(biāo)電壓。ADM1066集成了執(zhí)行微調(diào)所需的全部電路，12位逐次逼近型ADC用于讀取受監(jiān)控電壓的電平，6個(gè)電壓輸出DAC用于按照上述方法調(diào)整電源電平。這些電路可以配合微控制器等其它智能器件使用，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)余量微調(diào)系統(tǒng)，它可以將DC/DC轉(zhuǎn)換器或LDO電源設(shè)定到任何電壓，精度為目標(biāo)值的±0.5%。

　　為了在要測試的電源軌上實(shí)現(xiàn)閉環(huán)余量微調(diào)，請執(zhí)行下列步驟：

　　禁用6路DACx輸出。

　　DACx輸出電壓設(shè)定為反饋節(jié)點(diǎn)電壓

　　使能DAC

　　讀取連接到VPx、VH或VXx引腳之一的DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出的電壓。

　　需要時(shí)，提高或降低DACx輸出電壓以調(diào)整DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓。否則就停止，目標(biāo)電壓已經(jīng)達(dá)到。

　　將DAC輸出電壓設(shè)定為某一值，使電源輸出改變所需的幅度（例如±5%）。

　　重復(fù)該過程，直至達(dá)到該電源軌所需的電壓

　　步驟1至3確保各DACx輸出緩沖器開啟時(shí)，它對DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出的直接影響非常小。DAC輸出緩沖器的作用是消除上電時(shí)的瞬變“毛刺”，因?yàn)榫彌_器首先上電并跟隨引腳電壓，此時(shí)它不驅(qū)動(dòng)該引腳。一旦輸出緩沖器正確使能，緩沖器輸入即切換到DAC，緩沖器的輸出級開啟，從而消除輸出毛刺。

　　開關(guān)調(diào)節(jié)器的同步

　　在具有多個(gè)電源軌并使用一個(gè)以上開關(guān)調(diào)節(jié)器或控制器的系統(tǒng)中，由于內(nèi)部開關(guān)頻率的差異，這些器件之間可能會相互作用。這會引起拍頻諧波，大幅提高電源噪聲，嚴(yán)重影響EMI測試。幸運(yùn)的是，許多開關(guān)控制器和調(diào)節(jié)器在設(shè)計(jì)上都支持內(nèi)部時(shí)鐘同步。LDO不存在這個(gè)問題，但其電流輸出有限，并且在大多數(shù)情況效率較差，因此有時(shí)可能不合需要。

　　雙通道開關(guān)調(diào)節(jié)器ADP2116 就是可同步器件的一個(gè)很好的例子。通過SCFG引腳，可將其SYNC/CLKOUT引腳配置為輸入SYNC引腳或輸出CLKOUT引腳。作為輸入SYNC引腳，它可讓ADP2116與外部時(shí)鐘同步，兩個(gè)通道以外部時(shí)鐘頻率的一半、彼此180°錯(cuò)相工作。

　　作為輸出CLKOUT引腳，它可提供輸出時(shí)鐘，其頻率是通道開關(guān)頻率的兩倍且90°錯(cuò)相。因此，一個(gè)配置為CLKOUT的ADP2116可以充當(dāng)主轉(zhuǎn)換器，為所有其它DC/DC轉(zhuǎn)換器（包括其它ADP2116器件）提供外部時(shí)鐘（圖6）。配置為從器件時(shí)，它接收主器件的外部時(shí)鐘并與之同步。通過同步系統(tǒng)內(nèi)的所有DC/DC轉(zhuǎn)換器，這種方法可防止產(chǎn)生能導(dǎo)致EMI問題的拍頻諧波。

　　圖6. 利用外部時(shí)鐘同步多個(gè)ADP2116

　　結(jié)束語

　　本文討論多電源系統(tǒng)的處理方法。時(shí)序控制器、監(jiān)控器、調(diào)節(jié)器和控制器具有非常高的功能集成度，便于設(shè)計(jì)工程師處理潛在的電源問題，而無需采用全部是分立IC的電路板。這些器件對設(shè)計(jì)工程師非常有用，可以提高設(shè)計(jì)成功的概率，降低重新設(shè)計(jì)的可能性和電路板開發(fā)延誤的風(fēng)險(xiǎn)。

　　4、在系統(tǒng)中成功運(yùn)用DC-DC降壓調(diào)節(jié)器

　　智能手機(jī)、平板電腦、數(shù)碼相機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備和其它低功耗便攜式設(shè)備常常包含多個(gè)采用不同半導(dǎo)體工藝制造的集成電路。這些設(shè)備通常需要多個(gè)獨(dú)立的電源電壓，各電源電壓一般不同于電池或外部 AC/DC電源提供的電壓。

　　圖 1 顯示了一個(gè)采用鋰離子電池供電的典型低功耗系統(tǒng)。電池的可用輸出范圍是 3 V到 4.2V，而IC需要 0.8 V、1.8 V、 2.5 V和 2.8 V電壓。為將電池電壓降至較低的直流電壓，一種簡單的方法是運(yùn)用低壓差調(diào)節(jié)器（LDO）。不過，當(dāng)VIN遠(yuǎn)高于 VOUT時(shí)，未輸送到負(fù)載的功率會以熱量形式損失，導(dǎo)致LDO 效率低下。一種常見的替代方案是采用開關(guān)轉(zhuǎn)換器，它將能量交替存儲在電感的磁場中，然后以不同的電壓釋放給負(fù)載。這種方案的損耗較低，是一種更好的選擇，可實(shí)現(xiàn)高效率運(yùn)行。本文介紹降壓型轉(zhuǎn)換器，它提供較低的輸出電壓。升壓型轉(zhuǎn)換器將另文介紹，它提供較高的輸出電壓。內(nèi)置 FET作為開關(guān)的開關(guān)轉(zhuǎn)換器稱為開關(guān)調(diào)節(jié)器，需要外部FET的開關(guān)轉(zhuǎn)換器則稱為開關(guān)控制器。多數(shù)低功耗系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)用 LDO和開關(guān)轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)成本和性能目標(biāo)。

　　圖 1. 典型低功耗便攜式系統(tǒng)

　　降壓調(diào)節(jié)器包括 2 個(gè)開關(guān)、2 個(gè)電容和 1 個(gè)電感，如圖 2 所示。非交疊開關(guān)驅(qū)動(dòng)機(jī)制確保任一時(shí)間只有一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通，避免發(fā)生不良的電流“直通”現(xiàn)象。在第 1 階段，開關(guān)B斷開，開關(guān)A閉合。電感連接到VIN，因此電流從VIN流到負(fù)載。由于電感兩端為正電壓，因此電流增大。在第 2 階段，開關(guān)A斷開，開關(guān)B閉合。電感連接到地，因此電流從地流到負(fù)載。由于電感兩端為負(fù)電壓，因此電流減小，電感中存儲的能量釋放到負(fù)載中。

　　圖 2. 降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作波形

　　注意，開關(guān)調(diào)節(jié)器既可以連續(xù)工作，也可以斷續(xù)工作。連續(xù)導(dǎo)通以連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）工作時(shí)，電感電流不會降至 0；以斷續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）工作時(shí)，電感電流可以降至 0。低功耗降壓轉(zhuǎn)換器很少在斷續(xù)導(dǎo)通模式下工作。設(shè)計(jì)的，電流紋波（如圖 2中的ΔI 所示）通常為標(biāo)稱負(fù)載電流的 20%到 50%。

　　在圖 3 中，開關(guān) A 和開關(guān) B 分別利用 PFET 和 NFET 開關(guān)實(shí)現(xiàn)，構(gòu)成一個(gè)同步降壓調(diào)節(jié)器?！巴健币辉~表示將一個(gè) FET 用作低端開關(guān)。用肖特基二極管代替低端開關(guān)的降壓調(diào)節(jié)器稱為“異步”（或非同步）型。處理低功率時(shí)，同步降壓調(diào)節(jié)器更有效，因?yàn)?FET 的壓降低于肖特基二極管。然而，當(dāng)電感電流達(dá)到 0 時(shí)，如果底部 FET 未釋放，同步轉(zhuǎn)換器的輕載效率會降低，而且額外的控制電路會提高 IC 的復(fù)雜性和成本。

　　圖 3. 降壓調(diào)節(jié)器集成振蕩器、PWM控制環(huán)路和開關(guān) FET

　　目前的低功耗同步降壓調(diào)節(jié)器以脈寬調(diào)制（PWM）為主要工作模式。PWM保持頻率不變，通過改變脈沖寬度（tON）來調(diào)整輸出電壓。輸送的平均功率與占空比D成正比，因此這是一種向負(fù)載提高功率的有效方式。

　　FET 開關(guān)由脈寬控制器控制，后者響應(yīng)負(fù)載變化，利用控制環(huán)路中的電壓或電流反饋來調(diào)節(jié)輸出電壓。低功耗降壓轉(zhuǎn)換器的工作頻率范圍一般是 1 MHz 到 6 MHz。開關(guān)頻率較高時(shí)，所用的電感可以更小，但開關(guān)頻率每增加一倍，效率就會降低大約 2%。

　　在輕載下，PWM 工作模式并不總是能夠提高系統(tǒng)效率。以圖形卡電源電路為例，視頻內(nèi)容改變時(shí)，驅(qū)動(dòng)圖形處理器的降壓轉(zhuǎn)換器的負(fù)載電流也會改變。連續(xù) PWM 工作模式可以處理寬范圍的負(fù)載電流，但在輕載下，調(diào)節(jié)器所需的功率會占去輸送給負(fù)載的總功率的較大比例，導(dǎo)致系統(tǒng)效率迅速降低。針對便攜應(yīng)用，降壓調(diào)節(jié)器集成了其它省電技術(shù)，如脈沖頻率調(diào)制（PFM）、脈沖跳躍或這兩者的結(jié)合等。

　　ADI公司將高效率輕載工作模式定義為“省電模式”（PSM）。進(jìn)入省電模式時(shí)，PWM調(diào)節(jié)電平會產(chǎn)生偏移，導(dǎo)致輸出電壓上升，直至它達(dá)到比PWM調(diào)節(jié)電平高約 1.5%的電平，此時(shí) PWM工作模式關(guān)閉，兩個(gè)功率開關(guān)均斷開，器件進(jìn)入空閑模式。COUT可以放電，直到VOUT降至PWM調(diào)節(jié)電壓。然后，器件驅(qū)動(dòng)電感，導(dǎo)致VOUT再次上升到閾值上限。只要負(fù)載電流低于省電模式電流閾值，此過程就會重復(fù)進(jìn)行。

　　ADP2138 是一款緊湊型 800 mA、3 MHz、降壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。圖 4所示為典型應(yīng)用電路。圖 5顯示了強(qiáng)制 PWM工作模式下和自動(dòng) PWM/PSM 工作模式下的效率改善情況。由于頻率存在變化，PSM 干擾可能難以濾除，因此許多降壓調(diào)節(jié)器提供一個(gè) MODE 引腳（如圖 4 所示），用戶可以通過該引腳強(qiáng)制器件以連續(xù) PWM 模式工作，或者允許器件以自動(dòng) PWM/PSM 模式工作。MODE 引腳既可以通過硬連線來設(shè)置任一工作模式，也可以根據(jù)需要而動(dòng)態(tài)切換，以達(dá)到省電目的。

　　圖