用于電源管理的穩(wěn)壓器

隨著筆記本電腦和電話的尺寸越來(lái)越小，重量越來(lái)越輕，便攜式電子產(chǎn)品變得越來(lái)越流行。這加強(qiáng)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員對(duì)減小電子設(shè)備，特別是電源電路的尺寸和重量的關(guān)注。電路板空間、系統(tǒng)成本、元件數(shù)量、可用性和電池壽命等考慮因素變得越來(lái)越重要。事實(shí)上，電池壽命已成為便攜式設(shè)備的一個(gè)關(guān)鍵賣(mài)點(diǎn)，因?yàn)橛脩艨梢云谕裉斓南到y(tǒng)運(yùn)行時(shí)間比兩年前購(gòu)買(mǎi)的系統(tǒng)長(zhǎng)得多。

在實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約的眾多應(yīng)用策略中，提高效率和減小尺寸是最重要的。使用最新的低壓差穩(wěn)壓器 （LDO） 或快速開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器減少了這些電源中的能量損失，為系統(tǒng)的其余部分工作留下了更多能量。新的電池技術(shù)也達(dá)到了相同的目的，要么在不減少容量的情況下減小尺寸，要么在保持相同尺寸（和重量）的同時(shí)提高容量。待機(jī)（或睡眠）模式是有意義的，特別是當(dāng)電源轉(zhuǎn)換在本地發(fā)生時(shí)，接近相應(yīng)的負(fù)載。因此，系統(tǒng)可以關(guān)閉未使用的部分，例如筆記本電腦中的硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器或手機(jī)中的發(fā)射器。

較新的穩(wěn)壓器使設(shè)計(jì)人員能夠減小整個(gè)系統(tǒng)解決方案的尺寸和總體成本，因?yàn)樗鼈冞€可以使用更小、更便宜的外部元件，例如電容器和電感器。

簡(jiǎn)單的線性穩(wěn)壓器已經(jīng)存在了很長(zhǎng)時(shí)間;但是，盡管它們的成本較低，但它們的壓差（調(diào)整管兩端的最小壓降）相對(duì)較高，通常在1.5至3 V之間。低壓差穩(wěn)壓器（LDO）的開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)重大改進(jìn)，壓差低至每0 mA負(fù)載電流1.0 V至4.100 V，可將穩(wěn)壓器功耗降低約90%。除了比上述簡(jiǎn)單穩(wěn)壓器更低的耗散外，還可以使用較低電壓的電池，或者電池可以在需要更換或充電之前放電到較低的電壓。這意味著更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。

ADI公司的低壓差穩(wěn)壓器包括：

通用ADM66x系列和ADP3367，壓差范圍為1 V至100 mV/100 mA。

新一代高性能、精度±0.5%的任意電容器?LDO穩(wěn)壓器ADP3300、ADP3301和ADP3303用于50、100和250 mA滿量程輸出，壓差電平為每100 mA200或100 mV。

ADP100是ADP3301的雙通道3302 mA版本，具有相同的±0.5%精度和120 mV低壓差。

傳統(tǒng) LDO 需要一個(gè)體積龐大、昂貴的 10μF 負(fù)載電容器，具有精心挑選的等效串聯(lián)電阻 （ESR）;ADP330x系列可以使用多種電容類(lèi)型和值工作，典型的例子可能是0.47 μF、低成本多層陶瓷電容。這項(xiàng)重要技術(shù)已獲得專利，并已獲得商標(biāo)“anyCAP?".

LDO比傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器效率更高，并延長(zhǎng)了電池的有用工作電壓，但它們的壓降浪費(fèi)了寶貴的功率[W = (V在—V外， r我L].所有線性穩(wěn)壓器都需要高于輸出電壓的輸入電壓;他們只能調(diào)節(jié)到期望的值，永遠(yuǎn)無(wú)法提升到它。因此，為了提高效率，以及輸出電壓超過(guò)輸入電壓或變?yōu)樨?fù)值的靈活性，設(shè)計(jì)人員必須轉(zhuǎn)向開(kāi)關(guān)模式或開(kāi)關(guān)電容穩(wěn)壓器或轉(zhuǎn)換器。

通過(guò)消除調(diào)整管的耗散，開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器電路[見(jiàn)側(cè)欄]的效率可以達(dá)到90%以上。因此，更多的電池能量流向供電設(shè)備，從而延長(zhǎng)工作時(shí)間。然而，在獲得高效率方面，開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器也帶來(lái)了一些挑戰(zhàn)。例如，對(duì)磁性元件的需求增加了電源的整體尺寸和重量，這兩者都在便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)中可能至關(guān)重要;這也增加了系統(tǒng)成本。

為了盡量減少這些問(wèn)題，開(kāi)關(guān)頻率被推高（在某些情況下高達(dá)1 MHz），以減小電感器和電容器的尺寸。然而，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器還有另一個(gè)問(wèn)題：在脈沖頻率調(diào)制（PFM）或脈寬調(diào)制（PWM）下工作。1切換電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生模式、輸入和輸出紋波以及電噪聲（電磁干擾或 EMI）。2因此，根據(jù)應(yīng)用的不同，開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器可能需要濾波器來(lái)平滑輸出紋波和/或屏蔽以抑制EMI。然而，開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器的較高效率使其在筆記本電腦等應(yīng)用中很受歡迎。

ADI公司推出的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器之一是ADP3000（見(jiàn)側(cè)欄）。它可以在升壓、降壓和逆變器模式下工作。在升壓模式下，它接受2 V至12 V的輸入電壓，在降壓模式下，輸入電壓高達(dá)30 V。 提供 3.3 V、5 V 和 12 V 的固定電壓以及可調(diào)輸出。

幾個(gè)關(guān)鍵特性使該器件非常適合便攜式電池供電應(yīng)用。例如，它在靜態(tài)或待機(jī)模式下僅消耗500 μA電流。400kHz 開(kāi)關(guān)頻率意味著只需要一個(gè)小的外部電感器。在大多數(shù)情況下，最小的電感（2.2 μH至15 μH，峰值電流為1 A）就足夠了。其他關(guān)鍵特性包括低輸出電壓紋波3— 40.3V 輸出時(shí)低于 3mV 峰峰值 — 可調(diào)電流限制，以及可用作低電池電量檢測(cè)器、線性穩(wěn)壓器、電壓鎖定或誤差放大器的輔助放大器。下面的示例將展示如何在實(shí)際應(yīng)用程序中使用這些功能。

開(kāi)關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換器是避免LDO相關(guān)損耗的另一種技術(shù)。一個(gè)例子是最近推出的具有穩(wěn)壓輸出的開(kāi)關(guān)電容電壓逆變器ADP3604。該器件提供穩(wěn)壓，電壓損耗最小，外部元件極少，無(wú)需電感器或變壓器。ADP240采用120 kHz內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生3604 kHz開(kāi)關(guān)頻率，與ADM660和ADM8660等早期設(shè)計(jì)相比，使用更小、更便宜的電容。它接受+4.5 V至+6.0 V的輸入電壓，產(chǎn)生3 V的輸出電壓，精度±3%，輸出電流高達(dá)120 mA。

如上所述，電池技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。雖然過(guò)去使用不多，但鋰離子（Li-ion）類(lèi)型成為許多近期應(yīng)用的首選電池，原因很充分：它們具有最佳的能量密度（充電容量與重量之比），并且由于自放電電流非常低，它們的待機(jī)時(shí)間很長(zhǎng)。但它們確實(shí)有一種行為，使得它們?cè)跊](méi)有復(fù)雜的電子設(shè)備的情況下很難使用。它們的輸出電壓在放電期間不斷下降。與Ni-Cd或NiMH電池不同，鎳鎘或鎳氫電池具有漫長(zhǎng)的平臺(tái)期，然后在容量結(jié)束時(shí)急劇下降（圖1），鋰離子電池的起始電壓為4.1 V至4.2 V（取決于化學(xué)成分和特定制造商）;然后，當(dāng)它被放電時(shí)，電壓幾乎線性下降到大約2.5 V.超過(guò)該點(diǎn)，由于進(jìn)一步放電會(huì)損壞電池，因此需要充電。

圖1.典型的電池放電曲線。水平線表示所需的 3V 恒定輸出。

圖2所示電路設(shè)計(jì)用于從單個(gè)鋰離子電池產(chǎn)生兩個(gè)恒定的3 V輸出，每個(gè)輸出高達(dá)100 mA。在 1.4 至 2.2 V 的輸入范圍內(nèi)，輸出保持在 ±7% 以內(nèi)，每個(gè)輸出的負(fù)載范圍為 0 至 100 mA，工作溫度為 — 40 至 +85°C。 該電路具有自動(dòng)關(guān)斷功能，可在輸入電壓降至2.5 V時(shí)保護(hù)電池。

圖2.使用鋰離子電池維持兩個(gè)3 V輸出的穩(wěn)壓器

當(dāng)輸入始終小于+3 V時(shí)，使用LDO或降壓穩(wěn)壓器（當(dāng)輸入始終大于+3 V輸出時(shí)）或升壓穩(wěn)壓器時(shí)，可通過(guò)變化的輸入電壓產(chǎn)生恒定的+3 V輸出。例如，在延長(zhǎng)使用壽命內(nèi)從單個(gè)鋰離子電池產(chǎn)生+3 V輸出，當(dāng)輸入低于3.1 V時(shí)，必須提供升壓，并在該電壓以上降壓。有幾種方法可以做到這一點(diǎn)。例如，ADP1147型降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可用于反激式模式。缺點(diǎn)是輸入和輸出上的紋波。或者，ADP3000可用于數(shù)據(jù)手冊(cè)所示的單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器電路（SEPIC），使用兩個(gè)電感;它的弱點(diǎn)是相當(dāng)大的漣漪。圖3000所示的ADP2電路采用雙輸出LDOADP3302，經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可采用最小的6.8 μH屏蔽電感供電，以節(jié)省空間和資金。更小、更便宜的是開(kāi)路電感器（棒型），當(dāng)電源電路的環(huán)境對(duì)EMI不敏感時(shí)，可以使用。

以下是電路的工作原理：最初，電池已充滿電。輸入電壓遠(yuǎn)高于3 V，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器ADP3000處于空閑模式，因?yàn)镕b（ADP3000，引腳8）處的電壓高于基準(zhǔn)電壓（1.245 V）。LDO （ADP3302）將輸出電壓調(diào)節(jié)在3 V。負(fù)載電流（高達(dá) 2 × 100 mA）穩(wěn)定流過(guò)電感器（電阻為 0.12 歐姆）和肖特基二極管 （D1），正向電壓為 0.2 V <總壓降約為 0.23 V。

隨著電池電壓隨時(shí)間降低，F(xiàn)b處的電壓成比例降低。當(dāng)輸入降至約3.7 V以下時(shí)，F(xiàn)b處的電壓低于1.245 V基準(zhǔn)電壓（分壓器R9-R10）。內(nèi)部比較器改變狀態(tài)，ADP3000的振蕩器啟動(dòng);由電感和二極管組成的升壓轉(zhuǎn)換器開(kāi)始將能量傳輸?shù)诫娙萜鰿3，以將Fb電壓保持在1.245 V左右。電池電壓降越低，需要傳輸?shù)哪芰烤驮蕉?，從而?dǎo)致開(kāi)關(guān)頻率增加，在關(guān)斷前（100.2 V）達(dá)到遠(yuǎn)高于5 kHz，滿負(fù)載為200 mA4.

ADP3000（引腳7）的SET輸入通過(guò)R1-R2分壓器持續(xù)監(jiān)控輸入電壓。當(dāng)電壓降至2.53 V以下（介于2.74 V和2.53 V之間，取決于ADP3000內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓源）時(shí)，Ao（引腳6）將進(jìn)入邏輯低電平，通過(guò)將SD3302和SD1（引腳2和6）拉至地來(lái)關(guān)斷ADP7 LDO穩(wěn)壓器。同時(shí)，晶體管導(dǎo)通（分壓器R5-R6）以上拉Fb并確保振蕩器關(guān)閉。ADP500的電池剩余負(fù)載電流僅為3000 μA，外加一個(gè)連接到Ao的可選micro-LED，作為向用戶發(fā)出的電池耗盡警報(bào)（虛線）。

33nF 電容器 （C2） 用于濾波從電源電壓到敏感反饋點(diǎn) Fb 的饋通。120歐姆電阻器（R4），連接到I林，限制開(kāi)關(guān)電流以降低對(duì)電感器額定電流的要求，同時(shí)降低輸出紋波和所需電容。

審核編輯：郭婷