中心議題：

• 討論運用 DC-DC降壓調節器的關鍵技術

解決方案：

• 多數低功耗係統運用 LDO等來實現成本和性能目標
• 係統效率大幅改善能使開關調節器用於便攜式設備

智能手機、平板電腦、數碼相機、導航係統、醫(yi)療(liao)設(she)備(bei)和(he)其(qi)它(ta)低(di)功(gong)耗(hao)便(bian)攜(xie)式(shi)設(she)備(bei)常(chang)常(chang)包(bao)含(han)多(duo)個(ge)采(cai)用(yong)不(bu)同(tong)半(ban)導(dao)體(ti)工(gong)藝(yi)製(zhi)造(zao)的(de)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)。這(zhe)些(xie)設(she)備(bei)通(tong)常(chang)需(xu)要(yao)多(duo)個(ge)獨(du)立(li)的(de)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)，各(ge)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)一(yi)般(ban)不(bu)同(tong)於(yu)電(dian)池(chi)或(huo)外(wai)部(bu) AC/DC電源提供的電壓。

圖 1 顯示了一個采用鋰離子電池供電的典型低功耗係統。電池的可用輸出範圍是 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用低壓差調節器(LDO)。不過，當VIN遠高於 VOUT時，未輸送到負載的功率會以熱量形式損失，導致LDO 效(xiao)率(lv)低(di)下(xia)。一(yi)種(zhong)常(chang)見(jian)的(de)替(ti)代(dai)方(fang)案(an)是(shi)采(cai)用(yong)開(kai)關(guan)轉(zhuan)換(huan)器(qi)，它(ta)將(jiang)能(neng)量(liang)交(jiao)替(ti)存(cun)儲(chu)在(zai)電(dian)感(gan)的(de)磁(ci)場(chang)中(zhong)

，然(ran)後(hou)以(yi)不(bu)同(tong)的(de)電(dian)壓(ya)釋(shi)放(fang)給(gei)負(fu)載(zai)。這(zhe)種(zhong)方(fang)案(an)的(de)損(sun)耗(hao)較(jiao)低(di)，是(shi)一(yi)種(zhong)更(geng)好(hao)的(de)選(xuan)擇(ze)，可(ke)實(shi)現(xian)高(gao)效(xiao)率(lv)運(yun)行(xing)。本(ben)文(wen)介(jie)紹(shao)降(jiang)壓(ya)型(xing)轉(zhuan)換(huan)器(qi)，它(ta)提(ti)供(gong)較(jiao)低(di)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)。升(sheng)壓(ya)型(xing)轉(zhuan)換(huan)器(qi)將(jiang)另(ling)文(wen)介(jie)紹(shao)，它(ta)提(ti)供(gong)較(jiao)高(gao)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)。內(nei)置(zhi) FET作為開關的開關轉換器稱為開關調節器，需要外部FET的開關轉換器則稱為開關控製器。多數低功耗係統同時運用 LDO和開關轉換器來實現成本和性能目標。

降壓調節器包括 2 個開關、2 個電容和 1 個電感，如圖 2 所示。非交疊開關驅動機製確保任一時間隻有一個開關導通，避免發生不良的電流“直通”現象。在第 1 階段，開關B斷開，開關A閉合。電感連接到VIN，因此電流從VIN流到負載。由於電感兩端為正電壓，因此電流增大。在第 2 階段，開關A斷開，開關B閉合。電感連接到地，因此電流從地流到負載。由於電感兩端為負電壓，因此電流減小，電感中存儲的能量釋放到負載中。
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注意，開關調節器既可以連續工作
，也可以斷續工作。連續導通以連續導通模式(CCM)工作時，電感電流不會降至 0
；以斷續導通模式(DCM)工作時，電感電流可以降至 0。低功耗降壓轉換器很少在斷續導通模式下工作。設計的,電流紋波（如圖 2中的ΔI 所示）通常為標稱負載電流的 20%到 50%。

在圖 3 中
，開關 A 和開關 B 分別利用 PFET 和 NFET 開關實現，構成一個同步降壓調節器。“同步”一詞表示將一個 FET 用作低端開關。用肖特基二極管代替低端開關的降壓調節器稱為“異步”（或非同步）型。處理低功率時
，同步降壓調節器更有效，因為 FET 的壓降低於肖特基二極管。然而，當電感電流達到 0 時
，如果底部 FET 未釋放，同步轉換器的輕載效率會降低
，而且額外的控製電路會提高 IC 的複雜性和成本。

目前的低功耗同步降壓調節器以脈寬調製(PWM)為主要工作模式。PWM保持頻率不變
，通過改變脈衝寬度(tON)來調整輸出電壓。輸送的平均功率與占空比D成正比，因此這是一種向負載提高功率的有效方式。
FET 開(kai)關(guan)由(you)脈(mai)寬(kuan)控(kong)製(zhi)器(qi)控(kong)製(zhi)，後(hou)者(zhe)響(xiang)應(ying)負(fu)載(zai)變(bian)化(hua)，利(li)用(yong)控(kong)製(zhi)環(huan)路(lu)中(zhong)的(de)電(dian)壓(ya)或(huo)電(dian)流(liu)反(fan)饋(kui)來(lai)調(tiao)節(jie)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)。低(di)功(gong)耗(hao)降(jiang)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)一(yi)般(ban)是(shi) 1 MHz 到 6 MHz。開關頻率較高時
，所用的電感可以更小，但開關頻率每增加一倍，效率就會降低大約 2%。

在輕載下，PWM gongzuomoshibingbuzongshinenggoutigaoxitongxiaolv。yituxingkadianyuandianluweili，shipinneironggaibianshi，qudongtuxingchuliqidejiangyazhuanhuanqidefuzaidianliuyehuigaibian。lianxu PWM 工gong作zuo模mo式shi可ke以yi處chu理li寬kuan範fan圍wei的de負fu載zai電dian流liu
，但dan在zai輕qing載zai下xia，調tiao節jie器qi所suo需xu的de功gong率lv會hui占zhan去qu輸shu送song給gei負fu載zai的de總zong功gong率lv的de較jiao大da比bi例li
，導dao致zhi係xi統tong效xiao率lv迅xun速su降jiang低di。針zhen對dui便bian攜xie應ying用yong，降jiang壓ya調tiao節jie器qi集ji成cheng了le其qi它ta省sheng電dian技ji術shu，如ru脈mai衝chong頻pin率lv調tiao製zhi(PFM)

、脈衝跳躍或這兩者的結合等。

ADI公司將高效率輕載工作模式定義為“省電模式”(PSM)。進入省電模式時
，PWM調節電平會產生偏移，導致輸出電壓上升
，直至它達到比PWM調節電平高約 1.5%的電平，此時 PWM工作模式關閉，兩個功率開關均斷開，器件進入空閑模式。COUT可以放電，直到VOUT降至PWM調節電壓。然後，器件驅動電感，導致VOUT再次上升到閾值上限。隻要負載電流低於省電模式電流閾值，此過程就會重複進行。
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ADP2138 是一款緊湊型 800 mA
、3 MHz
、降壓 DC-DC 轉換器。圖 4所示為典型應用電路。圖 5顯示了強製 PWM工作模式下和自動 PWM/PSM 工作模式下的效率改善情況。由於頻率存在變化
，PSM 幹擾可能難以濾除，因此許多降壓調節器提供一個 MODE 引腳（如圖 4 所示），用戶可以通過該引腳強製器件以連續 PWM 模式工作

，或者允許器件以自動 PWM/PSM 模式工作。MODE 引腳既可以通過硬連線來設置任一工作模式
，也可以根據需要而動態切換
，以達到省電目的。

降壓調節器提高效率

dianchidexuhangshijianshixinxingbianxieshishebeishejigaoduguanzhudeyigetexing。tigaoxitongxiaolvkeyiyanchangdianchigongzuoshijian
，jiangdigenghuanhuochongdiandepindu。liru，yigelilizichongdiandianchikeyishiyongADP125 LDO以 0.8 V電壓驅動一個 500 mA負載，如圖 6 所示。該LDO的效率隻有 19% (VOUT/VIN × 100% = 0.8/4.2 × 100%)。LDO無法存儲未使用的能量，因此剩餘的 81%的功率(1.7 W)隻能以熱量形式在LDO內部耗散掉，這可能會導致手持式設備的溫度迅速上升。如果使用ADP2138 開關調節器，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。這些係統效率的大幅改善使得開關調節器大量運用於便攜式設備。 降壓轉換器關鍵規格和定義

輸入電壓範圍：降壓轉換器的輸入電壓範圍決定了最低的可用輸入電源電壓。規格可能提供很寬的輸入電壓範圍，但VIN 必須高於VOUT才能實現高效率工作。例如，要獲得穩定的 3.3 V輸出電壓，輸入電壓必須高於 3.8 V。

地電流或靜態電流：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節器
，最好查看特定工作電壓和負載電流下的實際工作效率數據。
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關斷電流： 這是使能引腳禁用時器件消耗的輸入電流，對低功耗降壓調節器來說通常遠低於 1??A。這一指標對於便攜式設備處於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製造時就被精確調整到±2%之內（25°C）。輸出電壓精度在工作溫度、輸入電壓和負載電流範圍條件下加以規定，最差情況下的不精確性規定為±x%。

線路調整率： 線路調整率是指額定負載下輸出電壓隨輸入電壓變化而發生的變化率。

負載調整率：負(fu)載(zai)調(tiao)整(zheng)率(lv)是(shi)指(zhi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)隨(sui)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)變(bian)化(hua)而(er)發(fa)生(sheng)的(de)變(bian)化(hua)率(lv)。對(dui)於(yu)緩(huan)慢(man)變(bian)化(hua)的(de)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)，大(da)多(duo)數(shu)降(jiang)壓(ya)調(tiao)節(jie)器(qi)都(dou)能(neng)保(bao)持(chi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)基(ji)本(ben)上(shang)恒(heng)定(ding)不(bu)變(bian)。

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，就可能產生瞬態誤差。並非所有數據手冊都會規定負載瞬變，但大多數數據手冊都會提供不同工作條件下的負載瞬態響應曲線。

限流：ADP2138 等降壓調節器內置保護電路
，限製流經 PFET 開關和同步整流器的正向電流。正電流控製限製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並流出負載.

軟啟動：neiburuanqidonggongnengduiyujiangyatiaojieqifeichangzhongyao，tazaiqidongshikongzhishuchudianyahuansheng，congerxianzhilangyongdianliu。zheyang，dangdianchihuogaozukangdianyuanlianjiedaozhuanhuanqishuruduanshi，keyifangzhishurudianyaxiajiang。qijianshinenghou，neibudianlukaishishangdianzhouqi。

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VINcongguanduanqiehuandaokaiqishi，qidongshijiankenenghuidafuzengjia
，yinweikongzhihuanluxuyaoyidingdewendingshijian。zaitiaojieqixuyaopinfanqidongheguanbiyijieshenggonghaodebianxieshixitongzhong，tiaojieqideqidongshijianshiyigezhongyaodekaolvyinsu.

熱關斷(TSD)：當結點溫度超過規定的限值時，熱關斷電路就會關閉調節器。極端的結溫可能由工作電流高、電路板冷卻不佳或環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。

100%占空比工作： 隨著VIN下降或ILOAD上升，降壓調節器會達到一個限值：即使PFET開關以 100%占空比導通
，VOUT仍低於預期的輸出電壓。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調節，VOUT不會過衝。

放電開關：在zai某mou些xie係xi統tong中zhong，如ru果guo負fu載zai非fei常chang小xiao

，降jiang壓ya調tiao節jie器qi的de輸shu出chu可ke能neng會hui在zai係xi統tong進jin入ru睡shui眠mian模mo式shi後hou的de一yi定ding時shi間jian內nei仍reng然ran保bao持chi較jiao高gao水shui平ping。然ran而er，如ru果guo係xi統tong在zai輸shu出chu電dian壓ya放fang電dian之zhi前qian啟qi動dong上shang電dian序xu列lie，係xi統tong可ke能neng會hui發fa生sheng閂shuan鎖suo，或huo者zhe導dao致zhi器qi件jian受shou損sun。當dang使shi能neng引yin腳jiao變bian為wei低di電dian平ping或huo器qi件jian進jin入ru欠qian壓ya閉bi鎖suo/熱關斷狀態時，ADP2139 降壓調節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)可以確保隻有在係統輸入電壓高於規定閾值時才向負載輸出電壓。UVLO 很重要，因為它隻在輸入電壓達到或超過器件穩定工作要求的電壓時才讓器件上電.

結束語

低功耗降壓調節器使開關DC-DC轉換器設計不再神秘。ADI 公司提供一係列高集成度、堅固耐用

、易於使用

、高性價比的降壓調節器，隻需極少的外部元件就能實現高工作效率。係統設計師可以使用數據手冊應用部分提供的設計計算，或者使用 ADIsimPower 設計工具。