采用SOT23 封裝的降壓穩(wěn)壓器和升壓穩(wěn)壓器

很多低成本應(yīng)用都利用線性穩(wěn)壓器把一種電壓轉(zhuǎn)換到另一種電壓。以微型 SOT23 封裝的新型開關(guān)穩(wěn)壓器提供了一個(gè)完整的緊湊解決方案，它的效率高得多。新型穩(wěn)壓器能達(dá)到很高的開關(guān)頻率，因此外部元件很小，成本也非常低。
美國國家半導(dǎo)體公司(NS)最近推出了一系列小尺寸 SOT23 封裝的開關(guān)穩(wěn)壓器，并將在未來推出更多集成了功率晶體管的型號(hào)。
本文將介紹一些新型號(hào)，探討各自的優(yōu)點(diǎn)，并將在幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例中說明工程師如何能利用它們來做設(shè)計(jì)。

升壓解決方案

升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)壓器需要開關(guān)一個(gè)低端晶體管。這意味著開關(guān)元件的位置在開關(guān)管腳和接地管腳之間。借助這種組合，不僅能實(shí)現(xiàn)升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且還能實(shí)現(xiàn)單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器 (SEPIC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、回掃拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和負(fù)降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。升壓穩(wěn)壓器能提供比輸入電壓高的輸出電壓。SEPIC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供了利用更小或更大的輸入電壓來穩(wěn)定某個(gè)電壓的可能性。這種額外的功能的折衷是效率比經(jīng)典的升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)稍低，元件也要額外增加一個(gè)感應(yīng)器和一個(gè)電容器。
回掃拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供了與 SEPIC 相同的降壓和升壓能力，但是它需要的不是兩個(gè)感應(yīng)器，而是一個(gè)變壓器。
所有這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是否能設(shè)置在一個(gè)特定的低端轉(zhuǎn)接開關(guān)中，是否能穩(wěn)定工作，這在很大程度上取決于電壓和電流規(guī)格，以及內(nèi)部或外部補(bǔ)償電路。
NS公司提供兩個(gè)版本的 LM2733。一個(gè)版本于 1500kHz 的開關(guān)頻率工作，另一個(gè)使用 500kHz 振蕩器速度。如果需要，還可以提供尺寸極小的感應(yīng)器。

典型應(yīng)用
LM2733 的一個(gè)典型用途是為多達(dá) 10 個(gè)白光 LED 供電，應(yīng)用于屏幕背光照明。圖 1 描繪了這種應(yīng)用。當(dāng)很多 LED 需要相同亮度時(shí)，可以串聯(lián)所有 LED。這樣就保證了每個(gè) LED 傳導(dǎo)了相同電流，它一般意味著每個(gè)LED的亮度相同。當(dāng)所有 LED 串聯(lián)時(shí)，它們的正向電壓會(huì)疊加起來。根據(jù)配置的LED數(shù)量，這需要比較高的電壓。由于多數(shù)系統(tǒng)中不供應(yīng)這樣高的電壓，因此常用的 5V 或 3.3V 需要被提升到需要的電壓，才能驅(qū)動(dòng)這一串 LED。NS公司的 LM2733 能提供高達(dá) 40V 的輸出電壓。當(dāng)使用白光 LED 時(shí)，可以串聯(lián)至少 9 個(gè) LED。流過 LED 的電流大小是由電阻器 R1 設(shè)置的。

降壓解決方案
升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)壓器需要開關(guān)一個(gè)高端晶體管。這意味著晶體管的位置在輸入電壓和開關(guān)管腳之間。高端穩(wěn)壓器與以前討論過的主要用于降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的低端穩(wěn)壓器截然不同。其它拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也稱為反相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只需要與降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相等數(shù)量的外部元件，但可以把正電壓轉(zhuǎn)換稱負(fù)電壓。雖然電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中有時(shí)需要負(fù)電壓，但這種電壓不那么常用。
另一種可實(shí)現(xiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就是負(fù)升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它可以把負(fù)電壓轉(zhuǎn)換成更高的負(fù)電壓。圖 2 顯示了這種電路的原理圖。分析這種電路可能讓人非常混肴。下面的提示可以幫助理解這些不常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。首先，不論接地引腳絕對(duì)是處于負(fù)電壓還是正電壓，我們都知道反饋管腳將一直確保其額定值高于接地管腳。多數(shù)情況下，反饋引腳的參考地電壓是 1.2V。要注意的第二個(gè)事實(shí)是，Vin 管腳在參考 _Vin節(jié)點(diǎn)和穩(wěn)壓器的接地管腳時(shí)，實(shí)際上處于正電壓，上述接地管腳是（負(fù)）輸出電壓。

工藝技術(shù)
當(dāng)把 SOT23 等非常小的封裝用于較高功率時(shí)，第一個(gè)大問題是實(shí)際裸片尺寸，第二個(gè)大問題是封裝的熱耗散。SOT23-6 并不是一種非常低溫阻的封裝。SOT23-6 封裝從接頭到周圍環(huán)境的典型熱阻是 265 開爾文/瓦。如果這種器件工作于室溫，那么它能達(dá)到的最大功耗大約是 380mW。請(qǐng)記住，多數(shù)應(yīng)用需要工作在遠(yuǎn)高于室溫的溫度下，能達(dá)到的最大功耗低得多。80 攝氏度的環(huán)境溫度使允許的最大功耗降至大約 170mW。
在使用這類封裝時(shí)，這些溫度方面的考慮事項(xiàng)只有一個(gè)解決辦法：需要降低功耗！NS公司的新型 PVIP（功率 VIP）工藝是一種專門針對(duì)電源管理的工藝。它提供了極度精簡(jiǎn)的集成電路，它們的電阻非常低。這使芯片設(shè)計(jì)人員能提高電流和電壓，或縮小裸片尺寸而保持性能相同。

典型應(yīng)用
在本文中，我們討論了使用反相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的降壓穩(wěn)壓器來產(chǎn)生負(fù)輸出電壓。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個(gè)獨(dú)特之處是輸入電壓的絕對(duì)值可能低于或高于輸出電壓的絕對(duì)值。因此，對(duì)于需要降壓和升壓、并且負(fù)載的極性可被改變的每一種應(yīng)用，都可以使用反相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而不是 SEPIC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。人們通常更喜歡這么做，這是因?yàn)榭梢怨?jié)省額外的 SEPIC 感應(yīng)器占用的空間和成本。
這種反相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個(gè)典型應(yīng)用也是依靠寬范圍的輸入電壓來驅(qū)動(dòng) LED。圖 3 顯示了這樣的一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例?？梢钥闯?，穩(wěn)壓器是參考了輸出電壓而不是接地電壓。例子中的負(fù)載是由兩個(gè)白光 LED 構(gòu)造的。串聯(lián)時(shí)，它們的合計(jì)正向電壓大約是 8V。根據(jù)溫度和生產(chǎn)中正規(guī)分布的不同，這兩個(gè) LED 的合計(jì)正向電壓可能在 7V 和 8V 之間。根據(jù)圖 3 顯示的電路，當(dāng)使用了輸入電壓范圍是 3V-24V 的高端穩(wěn)壓器時(shí)，輸入電壓的變化可以從 3V到24V。

尺寸比較
圖4顯示了NS公司的一種典型 SOT23-6 降壓評(píng)估板的圖片。板的尺寸僅為 2.1x1.9 厘米。為了便于比較，我們假定一個(gè)典型降壓要求：12V 輸入電壓，5V 輸出電壓，電流為 500mA。這種開關(guān)電路的典型效率是 80%。使用一個(gè) LDO 來做相同任務(wù)，則需要一個(gè)大封裝，比如 to263 或 to220 封裝，這是由功耗決定的。在我們這個(gè)例子中，功耗是 (12V-5V)*0.5A = 3.5W。這意味著小輪廓封裝不能用于這種設(shè)計(jì)任務(wù)。具有必要輸入電容和輸出電容的一個(gè) to263 封裝的 LDO 占用的電路板空間大約是 2x1.7 厘米。

結(jié)語
本文介紹了多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的降壓穩(wěn)壓器和升壓穩(wěn)壓器的可能使用情況，把它們與線性穩(wěn)壓器的能力做了比較說明。目前正在提供或未來將提供的新型 SOT23 開關(guān)穩(wěn)壓器系列，為“如何供應(yīng)正確電壓給某種特定應(yīng)用”這個(gè)老問題，提供了令人興奮的新解決方案。

圖1 LM2733典型應(yīng)用

圖2 負(fù)升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 負(fù)反向相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用

圖4  典型SOT23-6降壓評(píng)估板