DC-DC轉(zhuǎn)換器原理及應(yīng)用

DC-DC轉(zhuǎn)換器原理及應(yīng)用

　當(dāng)您電池的最后一焦耳電能被耗盡時(shí)，功耗和效率就將真正呈現(xiàn)出新含義。以一款典型的手機(jī)為例，即使沒有用手機(jī)打電話，LCD屏幕亮起、顯示時(shí)間及正在使用的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商等任務(wù)也會(huì)消耗電力。如果它是一款更高級(jí)的手機(jī)，還可以播放您喜愛的MP3音樂或?yàn)g覽視頻數(shù)據(jù)。不過，每為手機(jī)增加一種功能，實(shí)際上也增加了電池的負(fù)擔(dān)。對(duì)于大多數(shù)手機(jī)設(shè)計(jì)者來說，能否延長可用電力的使用時(shí)間是您的手機(jī)在下次充電前能夠持續(xù)多久的關(guān)鍵。這意味著電力需要在各種功能模塊間小心謹(jǐn)慎地保護(hù)和預(yù)算，以最大限度地延長電池壽命和使用。
　　要實(shí)現(xiàn)真正的效率，并不僅僅意味著DC-DC轉(zhuǎn)換器在負(fù)載指定的某個(gè)操作點(diǎn)可以獲得多高的效率，而是在DC-DC轉(zhuǎn)換器整個(gè)載荷范圍內(nèi)這種高效率能夠維持多久。一般來說，大部分DC-DC轉(zhuǎn)換器都指定可以達(dá)到的最大效率數(shù)字，而且人們也通過選擇一個(gè)非常大的數(shù)字（如95%），毫不猶豫地選擇一個(gè)合適的轉(zhuǎn)換器。然而，要真正地充分利用這個(gè)效率，還需要把轉(zhuǎn)換器的曲柄轉(zhuǎn)到可以實(shí)現(xiàn)最大功率轉(zhuǎn)換的操作點(diǎn)上。如果未轉(zhuǎn)到這個(gè)點(diǎn)，就不能達(dá)到95%的效率。而且因?yàn)檫@個(gè)問題，根據(jù)所應(yīng)用的載荷，有時(shí)甚至達(dá)不到60%的效率。

　　圖1 典型效率曲線
　　圖1顯示在A點(diǎn)可達(dá)到95%的效率，在B點(diǎn)卻只能達(dá)到60%甚至更低的效率。對(duì)于便攜式消費(fèi)產(chǎn)品，操作點(diǎn)或負(fù)載標(biāo)尺上的這種差異將非常重要，因?yàn)榇蟛糠诌@些電子器件都有多種功能（如播放音樂、拍照或撥打電話），每種功能都要求一個(gè)不同的操作點(diǎn)或不同的DC-DC調(diào)節(jié)器有效負(fù)載。對(duì)于那些用戶未調(diào)用的功能，DC-DC源的功率負(fù)載會(huì)非常輕，95%的效率將會(huì)銳減為50%甚至更低，因?yàn)槭窃趫D1中的B點(diǎn)。
　　以智能手機(jī)為例，在智能手機(jī)中，為AP（應(yīng)用處理器）IO或核心電壓供電的DC-DC轉(zhuǎn)換器將在多長時(shí)間內(nèi)把電池內(nèi)的電力耗盡，這點(diǎn)非常重要。假設(shè)您的手機(jī)電池在正常使用時(shí)（即主要是撥打語音電話）可持續(xù)供電最多2～3天。在這段時(shí)間（48～72小時(shí)），通常只有一小部分電力用于娛樂活動(dòng)，如照片的拍攝和瀏覽或者M(jìn)P3音樂的播放。它意味著在剩余時(shí)間，手機(jī)不需要AP完成太多任務(wù)；可能只是在AP處于待機(jī)或休眠模式中用來刷新DDR存儲(chǔ)器。因此，如果AP經(jīng)常處于這些模式中，它帶給轉(zhuǎn)換器的負(fù)載將在標(biāo)尺的輕負(fù)載一端，即B點(diǎn)。這表示，AP調(diào)節(jié)器的功率將永遠(yuǎn)以50%甚至更低的功效運(yùn)行，使它成為電池的一個(gè)最大消耗源?？梢?，僅選擇一個(gè)具有高效率規(guī)范的DC-DC調(diào)節(jié)器是不夠的。還需要確保調(diào)節(jié)器在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)都能提供高效率，尤其在輕負(fù)載和滿負(fù)載時(shí)。

　　圖2 提高輕載荷時(shí)的效率
　　針對(duì)這一問題，需要?jiǎng)?chuàng)新的解決方案。以飛思卡爾推出的一種全新的DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器為例，它可在輕負(fù)載時(shí)提供高效率。MC34726/7系列是同步降壓轉(zhuǎn)換器，可以提供高達(dá)300mA或600mA的電流，同時(shí)實(shí)現(xiàn)90%的高效率。轉(zhuǎn)換器的效率如圖2所示，它可以在整個(gè)負(fù)載范圍維持高效率，在接近最高負(fù)載時(shí)達(dá)到頂峰。對(duì)于輕負(fù)載（B點(diǎn)），效率也能維持在80%以上。該器件利用專用的可調(diào)節(jié)Z因子模式（Z-Mode）切換架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了PWM和PFM間平穩(wěn)的轉(zhuǎn)換，而不會(huì)犧牲瞬態(tài)響應(yīng)、偏壓電流或效率。因此，Z-Mode架構(gòu)極大地提高了負(fù)載電流轉(zhuǎn)換期間的性能，在提供更好的瞬態(tài)響應(yīng)的同時(shí)，仍在“休眠”Z-Mode中維持輕負(fù)載65μA的低偏壓電流。

　　圖3 典型應(yīng)用圖
　　該器件接受2.7～5.5V的輸入電壓范圍，并能夠在300mA/600mA的持續(xù)負(fù)載電流中提供0.8～3.3V的輸出電壓。此外，其2MHz或4MHz的高交換頻率也使得它非常適合空間受限的便攜式器件，如手機(jī)、PDA、DSC、PND、GPS、PMP和其他便攜式儀器。圖3顯示的是該器件的一個(gè)典型應(yīng)用。