POL DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計需要高效率和低IQ

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(dǎo)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(shè)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)?！备拍顝V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(shè)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(shè)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(shè)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(shù)。在這種政策激勵下，很多電源管理產(chǎn)品供應(yīng)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(lǐng)域取得的很多進步都可以追溯到電源轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域取得的成果，尤其是電源集成電路和電源半導(dǎo)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(guān)頻率，為提高電源性能做出了貢獻。能夠做到提高開關(guān)頻率并對效率影響最小，靠的是降低開關(guān)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(dǎo)致了極大的設(shè)計難題。

　　多相工作被認為是用于轉(zhuǎn)換拓撲的一般性術(shù)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(yīng)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(shù)，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(shè)備的方案沒有太大不同，可能的例外是，很多便攜式應(yīng)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(yīng)用，組件高度甚至降低到僅為1.5mm.

　　不同模擬集成電路供應(yīng)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(guān)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(shè)備。

　　另外，用多相方法設(shè)計轉(zhuǎn)換器與設(shè)計傳統(tǒng)單相轉(zhuǎn)換器沒有不同。所有電源開關(guān)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(guān)頻率都可以非常容易地用單個電阻編程，就像在單相設(shè)計中一樣。類似地，輸出電壓設(shè)置和環(huán)路補償與其他熟悉的DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)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(shè)計師都面臨著很多難題。盡管必須克服大量限制因素，設(shè)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。