專(zhuān)為便攜式系統(tǒng)的處理器供電的雙路同步穩(wěn)壓器電路

便攜式電子產(chǎn)品在提供更豐富的功能的同時(shí)對(duì)電能和不同電壓軌的需求也日益增多。由于負(fù)載增加，許多電壓軌首選DC/DC方式來(lái)供電。具有六路以上輸出的電源轉(zhuǎn)換器存在布線(xiàn)對(duì)PCB面積需求大以及系統(tǒng)配置不靈活的缺點(diǎn)，相比之下，雙路或三路輸出的電源轉(zhuǎn)換器具有很好的適應(yīng)性。它們既有單路電源的集成度，又比多路電源有著更好的靈活性，且能靠近負(fù)載放置。

如今便攜式產(chǎn)品中的處理器通常需要兩路電壓軌供電：一路為I/O口供電，一路為處理器核供電。大多數(shù)情況下，為確保處理器在上電前被可靠復(fù)位，還需提供一個(gè)合適的復(fù)位信號(hào)。具有復(fù)位信號(hào)輸出的雙路電源轉(zhuǎn)換器AP2802專(zhuān)為上述要求而設(shè)計(jì)，是為便攜式系統(tǒng)中的處理器供電的理想選擇。

AP2802采用3×3mm的DFN10或MSOP10微小型封裝，占位面積小，其1.5MHz的開(kāi)關(guān)頻率允許采用更小小巧的外圍電感和濾波電容，方便PCB布局。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路最重要的一個(gè)指標(biāo)是負(fù)載能力。AP2802的標(biāo)稱(chēng)負(fù)載能力為每路600mA，簡(jiǎn)單來(lái)看，這兩路都可以輸出600mA的電流，但實(shí)際上評(píng)估開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器帶載能力還必須考慮其它幾個(gè)指標(biāo)：輸出電壓變化幅度、效率以及輸出紋波幅度。通常，輸出電壓隨負(fù)載增加而緩慢下降(負(fù)載線(xiàn)性度指標(biāo))，當(dāng)輸出電壓下降百分比大于標(biāo)稱(chēng)精度(目前電源電路的標(biāo)稱(chēng)精度通常在±3%之內(nèi))時(shí)，即便電源電路仍能輸出更大電流，但已無(wú)任何意義。電源轉(zhuǎn)換效率是開(kāi)關(guān)電源電路的一個(gè)重要指標(biāo)。如果滿(mǎn)載效率低于80%，則給出的負(fù)載能力就不是真實(shí)的。如果負(fù)載變大時(shí)紋波也變得很大，則將處于過(guò)載狀態(tài)。因此，不能簡(jiǎn)單孤立地看負(fù)載指標(biāo)，而必須同時(shí)關(guān)注在這個(gè)負(fù)載下的其它重要相關(guān)指標(biāo)的變化。從表1給出的測(cè)試數(shù)據(jù)和圖3給出的效率曲線(xiàn)(在AP2802演示板上實(shí)測(cè)繪制)可知，AP2802的標(biāo)稱(chēng)600mA負(fù)載能力從輸出電壓值、效率和紋波上看均名符其實(shí)，而且還有100mA以上的裕量，可以滿(mǎn)足當(dāng)今絕大部分便攜式產(chǎn)品中的處理器的要求。

雙路電源轉(zhuǎn)換器AP2802的典型應(yīng)用電路圖。

AP2802還為處理器提供上電復(fù)位的信號(hào)POR/，以確保處理器在上電后能得到正確復(fù)位。當(dāng)AP2802輸入電源腳VIN端上電，兩路輸出電壓均達(dá)到預(yù)設(shè)電壓后，POR/仍保持在低電平狀態(tài)，并在大約170ms后通過(guò)外部上拉電阻輸出高電平，從而完成對(duì)處理器的復(fù)位信號(hào)功能。在工作狀態(tài)中，如果兩路中任一路的輸出電壓偏離設(shè)定值約8.5%，則復(fù)位功能被重新激活。當(dāng)電壓恢復(fù)到設(shè)定范圍內(nèi)，POR/保持低電平約170ms后再恢復(fù)到高電平，完成對(duì)處理器的復(fù)位工作。這樣就能保證當(dāng)系統(tǒng)電源出現(xiàn)異常波動(dòng)后，迅速對(duì)處理器進(jìn)行重新啟動(dòng)，避免處理器由于電源波動(dòng)而失控。圖4是在演示板上用示波器記錄下的波形。波形1是其中一路的1.8V輸出電壓，波形2是POR/的變化。在輸出端施加一瞬間的干擾信號(hào)，圖中用示波器觸發(fā)輸出端于1.62V，即可觀測(cè)到復(fù)位信號(hào)的產(chǎn)生。

AP2802的腳位圖。

兩路輸出都由各自的使能端獨(dú)立控制。當(dāng)使能端為低電平時(shí)，相應(yīng)輸出被禁止；當(dāng)使能端為高電平時(shí)，相應(yīng)輸出電壓可達(dá)到預(yù)設(shè)值。如果不考慮兩路輸出電壓之間的延時(shí)，可將兩個(gè)使能端直接與輸入電源相接。如果要控制兩路輸出的時(shí)序，除了可采用專(zhuān)用定序器控制兩個(gè)使能端外，也可以采用簡(jiǎn)單的阻容元件接在使能端上。不同的阻容搭配使得兩個(gè)使能端按所需的先后順序及間隔變成高電平，從而實(shí)現(xiàn)兩路電壓輸出的時(shí)序要求(圖5)。

AP2802在3.3V和1.8V輸出時(shí)的效率曲線(xiàn)。

開(kāi)關(guān)電源的電源轉(zhuǎn)換效率與負(fù)載大小、輸入和輸出電壓相關(guān)。一般而言，輸入輸出電壓越高，效率越高；輸入輸出之間的電壓差越小，效率越高；負(fù)載電流越接近中間值，效率越高。當(dāng)系統(tǒng)的工作電壓確定后，轉(zhuǎn)換效率將明顯地受負(fù)載電流變化的影響：負(fù)載減小，效率下降；負(fù)載增大，效率也下降。實(shí)際系統(tǒng)中的負(fù)載電流的變化范圍很寬，當(dāng)選定的穩(wěn)壓器能滿(mǎn)足所需的最大負(fù)載要求時(shí)，實(shí)際的負(fù)載電流在其最大值與零之間不斷地變化。這種變化與系統(tǒng)的三種工作狀態(tài)(停機(jī)、待機(jī)、工作)相對(duì)應(yīng)。

輸出擾動(dòng)與復(fù)位信號(hào)。

當(dāng)系統(tǒng)處于停機(jī)時(shí)，由于處理器不消耗能量，所以電源轉(zhuǎn)換器可以停止轉(zhuǎn)換，以節(jié)省電池消耗。通過(guò)轉(zhuǎn)換器的使能端可以方便地達(dá)到這個(gè)目的。

當(dāng)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，處理器的電流根據(jù)計(jì)算量的復(fù)雜度從幾十毫安到最大負(fù)載電流之間不斷變化，所以，保持電源轉(zhuǎn)換器正常工作即可實(shí)現(xiàn)合乎要求的高效率。

AP2802在3.6V輸入/1.8V輸出時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)。

當(dāng)系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，處理器的大部分計(jì)算工作已停止，只有極小部分工作還處于待命狀態(tài)。盡管此時(shí)仍要求電源轉(zhuǎn)換器提供正常電壓，但消耗的電流卻很小，只有幾個(gè)毫安，甚至更低(僅微安級(jí)別)。此時(shí)，如果轉(zhuǎn)換器仍按正常方式工作，則轉(zhuǎn)換效率顯著降低。因?yàn)檗D(zhuǎn)換器本身的耗電已與輸出的負(fù)載電流相當(dāng)，甚至比負(fù)載電流更大，所以效率指標(biāo)變劣。這種狀態(tài)在便攜式產(chǎn)品中持續(xù)的時(shí)間往往最長(zhǎng)，這就變得不可接受了。

因此，電源轉(zhuǎn)換器本身需具有一定的智能性，即當(dāng)輸出負(fù)載電流低與某個(gè)值時(shí)，必須改變工作方式，進(jìn)一步降低自身電源消耗，以便在系統(tǒng)待機(jī)時(shí)仍保持很高的轉(zhuǎn)換效率。AP2802的MODE控制腳與此功能有關(guān)，它可以讓轉(zhuǎn)換器在極小的負(fù)載狀況下仍保持很高的轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)模式MODE腳接高電平時(shí)，AP2802自動(dòng)根據(jù)負(fù)載電流大小，改變內(nèi)部開(kāi)關(guān)操作的方式：當(dāng)負(fù)載較大時(shí)以PWM方式進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作并提供低紋波輸出的大電流，以滿(mǎn)足處理器的大電流需求；當(dāng)負(fù)載下降到一定程度時(shí)，轉(zhuǎn)換器以類(lèi)似PFM的方式操作，在提供正確電壓時(shí)大大降低自身消耗，以保持高轉(zhuǎn)換效率。

使能端上電時(shí)序控制電路圖。

轉(zhuǎn)換器一旦設(shè)計(jì)完成投入批量供貨，其內(nèi)部的負(fù)載電流判別點(diǎn)也就固定了下來(lái)，不能再改變。但是，實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)是千差萬(wàn)別的，轉(zhuǎn)換器內(nèi)部已固定的負(fù)載電流判別點(diǎn)如果不適合某個(gè)特定系統(tǒng)，則會(huì)對(duì)系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生不利影響。MODE腳提供了這樣的功能：當(dāng)其固定接低電平時(shí)，轉(zhuǎn)換器一直保持PWM方式，向負(fù)載提供低紋波的輸出電壓；當(dāng)處理器需要待機(jī)時(shí)，可以發(fā)出信號(hào)使MODE腳的電平為高，讓轉(zhuǎn)換器根據(jù)此時(shí)的電流大小自動(dòng)進(jìn)入PFM工作方式，達(dá)到提高轉(zhuǎn)換效率的目的；當(dāng)處理器重新工作時(shí)，再使MODE電平為低。這樣，在恰當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)作用下即可保證無(wú)論系統(tǒng)工作在什么狀態(tài)下，轉(zhuǎn)換器的效率都很高。

AP2802的輸入電壓范圍為6.5~2.5V，最低輸出電壓可低至0.6V，可以采用兩個(gè)反饋電阻設(shè)定所需的高于0.6V的電壓，這對(duì)鋰電池供電和4節(jié)AA電池供電的產(chǎn)品而言是非常好的選擇。因?yàn)椴捎昧?.5MHz高頻工作，可選用2.2uH小尺寸電感和10uF小型陶瓷濾波電容，占用極小的PCB面積。更詳細(xì)的規(guī)格和性能可參閱其數(shù)據(jù)手冊(cè)。

總之，AP2802以其綜合性的功能及小巧的外形和周邊元件，必將相助便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。