電源工程師設計札記:輕松完成電源設計

　　圖 5. ADP2138的效率：（a） 連續(xù) PWM模式；（b） PSM模式


　降壓調(diào)節(jié)器提高效率

　　電池的續(xù)航時間是新型便攜式設備設計高度關注的一個特性。提高系統(tǒng)效率可以延長電池工作時間，降低更換或充電的頻度。例如，一個鋰離子充電電池可以使用ADP125 LDO以 0.8 V電壓驅動一個 500 mA負載，如圖 6 所示。該LDO的效率只有 19% （VOUT/VIN × 100% = 0.8/4.2 × 100%）。LDO無法存儲未使用的能量，因此剩余的 81%的功率（1.7 W）只能以熱量形式在LDO內(nèi)部耗散掉，這可能會導致手持式設備的溫度迅速上升。如果使用ADP2138 開關調(diào)節(jié)器，在 4.2 V輸入和 0.8 V輸出下，工作效率將是 82%，比前一方案的效率高出 4 倍多，便攜式設備的溫度升幅將大大減小。這些系統(tǒng)效率的大幅改善使得開關調(diào)節(jié)器大量運用于便攜式設備。

　　降壓轉換器關鍵規(guī)格和定義

　　輸入電壓范圍：降壓轉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可以針對許多條件進行規(guī)定，包括關斷、零負載、PFM工作模式或PWM工作模式。因此，為了確定某個應用的最佳降壓調(diào)節(jié)器，最好查看特定工作電壓和負載電流下的實際工作效率數(shù)據(jù)。

　　關斷電流： 這是使能引腳禁用時器件消耗的輸入電流，對低功耗降壓調(diào)節(jié)器來說通常遠低于 1μA。這一指標對于便攜式設備處于睡眠模式時電池能否具有長待機時間很重要。

　　輸出電壓精度： ADI 公司的降壓轉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)整率是指額定負載下輸出電壓隨輸入電壓變化而發(fā)生的變化率。

　　負載調(diào)整率： 負載調(diào)整率是指輸出電壓隨輸出電流變化而發(fā)生的變化率。對于緩慢變化的負載電流，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。

　　負載瞬變：如果負載電流從較低水平快速變化到較高水平，導致工作模式在 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)手冊都會規(guī)定負載瞬變，但大多數(shù)數(shù)據(jù)手冊都會提供不同工作條件下的負載瞬態(tài)響應曲線。

　　限流：ADP2138 等降壓調(diào)節(jié)器內(nèi)置保護電路，限制流經(jīng) PFET 開關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。負電流限值防止電感電流反向并流出負載。

　　軟啟動：內(nèi)部軟啟動功能對于降壓調(diào)節(jié)器非常重要，它在啟動時控制輸出電壓緩升，從而限制浪涌電流。這樣，當電池或高阻抗電源連接到轉換器輸入端時，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。

　　啟動時間是指使能信號的上升沿至VOUT達到其標稱值的 90%的時間。這個測試通常是在施加VIN、使能引腳從斷開切換到接通的條件下進行。在使能引腳連接到VIN的情況下，當VIN從關斷切換到開啟時，啟動時間可能會大幅增加，因為控制環(huán)路需要一定的穩(wěn)定時間。在調(diào)節(jié)器需要頻繁啟動和關閉以節(jié)省功耗的便攜式系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的啟動時間是一個重要的考慮因素。

　　熱關斷（TSD）： 當結點溫度超過規(guī)定的限值時，熱關斷電路就會關閉調(diào)節(jié)器。極端的結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。保護電路包括一定的遲滯，防止器件在芯片溫度降至預設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)器會達到一個限值：即使PFET開關以 100%占空比導通，VOUT仍低于預期的輸出電壓。此時，ADP2138 平滑過渡到可使PFET 開關保持 100%占空比導通的模式。當輸入條件改變時，器件立即重新啟動PWM調(diào)節(jié)，VOUT不會過沖。

　　放電開關： 在某些系統(tǒng)中，如果負載非常小，降壓調(diào)節(jié)器的輸出可能會在系統(tǒng)進入睡眠模式后的一定時間內(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上電序列，系統(tǒng)可能會發(fā)生閂鎖，或者導致器件受損。當使能引腳變?yōu)榈碗娖交蚱骷M入欠壓閉鎖/熱關斷狀態(tài)時，ADP2139 降壓調(diào)節(jié)器通過集成的開關電阻（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)定閾值時才向負載輸出電壓。UVLO 很重要，因為它只在輸入電壓達到或超過器件穩(wěn)定工作要求的電壓時才讓器件上電。

　　結束語

　　低功耗降壓調(diào)節(jié)器使開關DC-DC轉換器設計不再神秘。ADI 公司提供一系列高集成度、堅固耐用、易于使用、高性價比的降壓調(diào)節(jié)器，只需極少的外部元件就能實現(xiàn)高工作效率。

　　5、同步降壓調(diào)節(jié)器ADP2118的簡單應用

　　伴隨著許多低功耗器件的應用，越來越多的降壓調(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，應用很簡單的。下面我還是從5V轉換為3.3V的典型電路上分析一下ADP2118的應用：

　　從以上連接我們可以看出，ADP2118的外圍電路非常簡單，輸入電壓為5V，輸出電壓3.3V通過分壓電阻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，當此引腳與VIN相連時，PFM模式禁用，ADP2118僅工作在電流連續(xù)導通模式，此引腳與地連接時，PFM模式使能；

　　Pin2為頻率選擇，當連接至GND選擇600Hz，連接至VIN時選擇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驅動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)負載的大小決定工作模式，當輕載時切換到PFM模式，中載至滿載時切換到電流連續(xù)導通模式。經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)PFM模式下ADP2118輸出電壓的紋波遠大于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，用于限制輸出電壓上升時間并減少啟動時的浪涌電流，軟啟動的固定時間周期為2048個時鐘周期。

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

　　6、用20位DAC實現(xiàn)1 ppm精度——精密電壓源

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

　　隨著時間的推移，半導體處理和片內(nèi)校準技術的發(fā)展，關于精密集成電路DAC的定義也不斷變化。高精度12 位DAC一度被認為遙不可及；近年來，16 位精度已日益在精密醫(yī)學、儀器儀表、測試和計量應用中得到廣泛運用；在未來，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。

　　高精密應用目前要求18/20位、1 ppm精度數(shù)模轉換器，以前只有笨重、昂貴、慢速的Kelvin-Varley分壓器才能達到這一性能水平——屬于標準實驗室的專利，幾乎不適用于現(xiàn)實儀器儀表系統(tǒng)。針對這類要求且采用IC DAC組件，更便利的半導體1 ppm 精度解決方案已推出數(shù)年，但此類復雜系統(tǒng)需要使用多種器件，需要不斷進行校準，還需十分謹慎才可取得理想精度，而且體積大、成本高（見附錄）。長久以來，精密儀器儀表