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各种5V转3V电源设计方案分析

2011-11-02  lyncan

系统设计工程师面临着设计出具有更多功能的产品,同时维持或降低成本的压力,因此需要考虑采用技术先进的器件。为了生产出具更多功能和合理成本的集成电路(Integrated Circuit, IC), IC 生产厂家需要减小整个硅片的面积。然而,如果不做一些系统设计方面的权衡,就无法获得硅片面积缩小而带来的功能和成本方面的优势。这些具有更小几何尺寸的IC通常其最大工作电压为3.0V 或更低,而不是现有的最大5.0V 电压。本应用笔记旨在向系统设计工程师概要地提供一些不同方法,用于将现有5.0V系统电压转换成3.0V稳压输出。本应用笔记中讨论的方法为低压差线性稳压器(LDO)、电荷泵和降压(buck)开关转换器。也有一些其他选择,但是它们不能提供3.0V 稳压输出。在本文档的末尾有对这些选择的小结,并提供了包含详细应用笔记和数据手册标题的参考资料章节。

低压差线性稳压器将5.0V 总线电压转换成所需的3.0V 稳压的最简单方法是使用低压差线性稳压器。LDO 实质上是提供闭环控制的三端线性系统。这种方案很容易实现,只需器件本身和输入/ 输出电容。

 

LDO 工作原理

从图1 我们可以看出, LDO 由四部分组成:1)功率晶体管,2)带隙参考源,3)运放,4)反馈电阻。LDO可以被想象成一个可变电阻。输出电压通过分压电阻分压,并与带隙参考源的固定基准电压比较。运算放大器根据其输入端的电压来驱动功率晶体管。总线电压和所需的输出电压之间的电压差降在功率晶体管上。当功率晶体管(图中为P 沟道MOSFET)完全导通时,存在一定的阻抗,从而产生压降。最小压差VDROPOUT 将决定为保持输出电压的稳定,总线电压必须高出输出电压的数值。基于LDO 的计采用LDO 很容易产生非常稳定的3.0V 输出。在使用LDO 时,电路设计工程师只需要考虑几个参数。一个参数为输出电压。许多LDO 提供标准的固定电压输出,通常包含3.0V。然而,有些LDO 提供可调电压输出。此时要求设计人员增加外部的反馈分压电阻。另外一个LDO 参数为带负载时的典型压差。输出电压和典型压差的和必须小于最小输入电压。如果两者之和超过最小输入电压,则LDO 在最小输入电压时,输出电压不能稳压。另外一个不可忽略的重要参数为有些LDO 对输出电容的要求。某些LDO 要求输出电容为钽电容或铝电解电容来使系统稳定。与陶瓷电容相比,这些电容具有很高的串联等效电阻(Equivalent Series Resistance,ESR)。在需要大容量电容时,钽电容或铝电解电容通常比陶瓷电容便宜,但是其尺寸会比较大。

 

 

 

理解LDO IGND 参数

在图1 中标出了三个电流参数:IIN、IOUT 和IGND。IGND

为LDO 实现稳压工作时消耗的电流,在空载时称为静

态电流(Iq)。由于Iq 参数根据特定LDO 或生产工艺而

差异很大,因此有必要理解这项参数如何影响系统的性

能。

LDO可以作为高效的降压稳压器。当LDO输出电流远远

大于器件的静态电流时,系统的效率为输出电压除以输

入电压,如公式1 所示。

公式1:

 

 

 

 

在轻载电流时,系统效率是Iq 对系统性能产生的影响之一。基本来说,具有低Iq 的LDO 只在轻载时效率较高。这是因为负载电流增加时, Iq 只占IIN 总电流的很小一部分。图2 显示了Microchip 的两个LDO:MCP1700和TC1017 的效率曲线。可以看出,轻载时MCP1700的效率比TC1017高得多,就是因为TC1017的IQ较高。

 

 

 图2: LDO 效率比较

具有较高Iq 的LDO 可以大大提高系统的线路和负载阶跃响应性能。由于Iq 被LDO 用来实现稳压工作, Iq 较高的LDO 对负载需求或线路电压的突变可作出更快的响应。

 

电荷泵

电荷泵是另外一种将5.0V 系统电压转换成单片机或其他逻辑电路所需3.0V 稳压的拓扑结构。电荷泵也称为无电感直流- 直流转换器或开关电容电路,具有与LDO同样的易用性。与LDO 一样,电荷泵也需要输入/ 输出电容和反馈分压电阻网络。然而,电荷泵额外需要一个电荷存储电容,这个电容也经常被称为电荷泵电容(fly capacitor)。电荷泵有许多不同的类型。一些常见的类型为:反压型电荷泵、倍压电荷泵、稳压降压电荷泵、稳压升压电荷泵和稳压升/ 降压电荷泵

 稳压输出降压电荷泵的工作原理

Microchip 的MCP1252/3 是一款正电压稳压电荷泵。与绝大数电荷泵一样,它使用四个MOSFET 开关控制电荷泵电容的充电和放电,从而使输出电压稳压。然而,与绝大数电荷泵不同的是, MCP1252/3 的输入源电压可以比输出电压低,也可以比输出电压高,它会自动在升/ 降压工作模式下进行切换。考虑到本应用笔记的目的,只讨论降压这种工作模式。请参考MCP1252/3 数据手册(DS21752A_CN)获取关于升/ 降压工作模式的详细介绍。从图3 可以看出,内部比较器U1 决定着MCP1252/3 工作在何种模式。在降压模式,正输入节点的电压比负输入节点要高,开关SW1 常闭合,开关SW2 常开。当MCP1252/3 没有工作在关断(Shutdown)模式并达到稳态条件时, MCP1252/3 的工作分成三个阶段。在第一阶段,通过在1/2 内部振荡周期内闭合开关SW3,电荷从输入源转移到CFLY。一旦第一阶段结束,所有开关打开并进入第二阶段(空闲阶段)。MCP1252/3 比较参考电压VREF和反馈电压。如果反馈电压低于稳压点,则器件转换到第三阶段。在第三阶段,通过闭合开关SW4将CFLY上的电荷转移到输出电容COUT和负载。如

果达到稳压,则器件转换回空闲阶段。如果在1/2 内部振荡周期的电荷转移过程中, CFLY 需要更多的电荷,则MCP1252/3 返回第一阶段。

 

 

图3: MCP1252/3 电荷泵系统原理图
基于电荷泵的设计

输出电压纹波和电荷泵容量受到使用的电容类型和电容值影响。通常,输入/ 输出电容应选择低ESR 的电容,这将减小系统的噪声和纹波。输入电容的容量某种程度上取决于系统电源电压。如果输入到电荷泵的源阻抗很低,可无需输入电容。然而,如果源阻抗很高,则需要采用输入电容来消除输入电源


引脚上的纹波。输出电压纹波受输出电容容量的影响。高电容容量可以减小输出纹波,但是会以延长退出关断后的启动时间和增大浪涌电流为代价。电荷泵电容控制着电荷泵的容量。然而,选择这个电容的容量也需特别留意。要记住电荷泵电容的最大充电时间为1/2 电荷泵振荡率。充电时,它与两个开关的导通电阻相串联。这个RC 电路的充电时间常数应低于最大充电时间。降压开关稳压器降压(Buck)转换器是最简单的开关模式转换器之一。降压转换器是基于电感的转换器,用于将输入电压转换成较低的输出电压。它和前面讨论的LDO 电路很类似,但有一个主要区别,为:LDO 中的功率晶体管起可变电阻的作用;但降压转换器中的MOSFET 处于导通(ON)或截止(OFF)状态。通过控制MOSFET 导通(ON)和截止(OFF)时间来达到输出电压稳压。这可以使降压稳压器高效地将高电压输入电源转换为稳定的而较低的输出电压。降压转换器的工作原理基本的降压稳压器原理如图4 所示。典型的降压稳压器包含开关MOSFET、电感、输出电容和续流二极管。在开关周期,MOSFET Q1 在导通和截止状态下转换。假设降压稳压器工作在稳态,并且Q1 处于导通状态,电感L1 上的电压等于输入电压VIN 减去输出电压VOUT,能量被存储在L1 中。在导通时间tON 结束时,Q1 变成截止状态。此时,电感L1 电压下降并极性反转,电压等于-VOUT。L1 中的能量减少并提供输出。Q1 保持截止状态直至周期结束。这个完整周期将不断重复。



图4: 降压稳压器系统原理图


理解降压转换器的工作原理,以及电感在导通时间内的伏- 秒值等于电感在截至时间内的伏- 秒值,可以在输入电压和输出电压间建立起一个关系式。这个输入和输出电压关系如公式2 所示。



公式2:

同步降压转换器

当降压转换器用于产生低输出电压时,图4 中的续流二极管D1 可以用另外一个MOSFET 代替,并与主MOSFET反相开/关。通过这种方式,可以提高整个系统的效率。例如,使用降压转换器产生3.0V 输出电压,D1 具有0.75V的导通压降VFD,由于二极管的导通压降VFD,使降压转换器的最大效率降低了约25%。在更低输出电压时,会使效率变得更差。Microchip 提供许多同步降压转换器。如MCP1601 或MCP1612。这些器件集成了主开关MOSFET 和同步MOSFET。图5 显示了一个输出电压可调的同步降压转换器。虚线框中的元件包含在降压转换器IC 中。Microchip 的另外一个器件——TC1303,包含集成了MOSFET 的同步降压转换器和LDO。

图5: 同步降压转换器

总结

本应用笔记向系统设计工程师提供了一个不同方案的概述,将5.0V 系统电源转换成稳压3.0V。在此讨论了不同方案的主要特点,但对于某一特定的方案,讨论其与其他方案相比的优缺点是很重要的。系统设计工程师会因LDO 成本低、尺寸小、易于使用或系统噪声很低而选择它。然而,在一定的条件下,LDO 消耗的过多功率可能掩盖了它的这些优点。使用电荷泵的最大好处是它不需要使用电感。通过将电荷泵电容上的电荷传递到输出而实现稳压。电荷泵的低输出电流能力限制了它在重载应用中的使用。当VIN 远高于VOUT 时,降压开关模式转换器效率最高,同时能提供很大的输出电流。通过在降压稳压IC中集成MOSFET和控制电路,降压转换器的设计变得相对比较简单。然而,需要电感和输出电容,使降压转换器方案比其他方案相比,具有较多的元器件数。确定何种方案适合将现有5.0V 系统电压转换成3.0V 稳压输出,最终还是取决于特定的应用需求。

 


 

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