集成功率無源器件和戰(zhàn)術(shù)權(quán)衡以提高功率效率：電源管理和開關(guān)電源

為了尋求更小、更薄、更強大的器件，設(shè)計人員需要減小功率無源器件、電感器和電容器的尺寸。本應(yīng)用筆記探討了矛盾的工程權(quán)衡，重點介紹電源管理和開關(guān)電源。在討論了開關(guān)和濾波損耗、開關(guān)毛刺、死區(qū)時間和擊穿之后，討論轉(zhuǎn)向使用集成IC解決電源效率問題的技巧。

介紹

功率無源器件、電感器和電容器在當(dāng)今的消費類產(chǎn)品中占有重要地位。與今天隨處可見的微型薄手機(jī)和平板電腦相比，這在物理尺寸上是很大的。工程師要做什么？我們必須聰明并應(yīng)用科學(xué)方法。似乎我每周都會聽到這個?！白屛覀儨p小開關(guān)電源尺寸并提高效率”，這通常意味著增加更多的電池工作時間。當(dāng)然，這是個好主意，但我們?nèi)匀恍枰獪p少物理空間。解決這一困境的一個有希望的方法是攻擊權(quán)力被動，因為它們的規(guī)模相對較大。

我們從這個由兩部分組成的系列開始，探討了許多矛盾、不協(xié)調(diào)和矛盾的工程權(quán)衡。第 1 部分側(cè)重于廣泛的知識，就像交響樂指揮一樣，優(yōu)秀的設(shè)計師必須具備這些知識才能確保一個集成良好、節(jié)能的解決方案。交響樂指揮必須了解每種樂器和每個音樂家的聲音和能力，以指導(dǎo)和諧的作品。他巧妙地將音樂交織在一起，增加了觀眾的喜悅，并創(chuàng)造了回頭客。是的，這對我們來說是一個很好的榜樣。

為什么要專注于開關(guān)電源？

電器的趨勢是小型、輕便、輕薄和節(jié)能，具有許多“酷”功能。對于便攜式消費設(shè)備、超薄大屏幕電視，甚至對于洗碗機(jī)、洗衣機(jī)和干衣機(jī)等白色家電來說，情況也是如此。消費者需要更持久的電池來運行和更快的充電。這些問題真正體現(xiàn)在電源管理和電池上。電池技術(shù)有望取得突破性進(jìn)展，但由于化學(xué)問題難以快速解決，這些進(jìn)展緩慢。因此，我們必須集中精力解決管理問題。線性模擬穩(wěn)壓器電源必須將多余的電壓轉(zhuǎn)化為熱量，開關(guān)電源能夠以最小的損耗轉(zhuǎn)換電壓。

最初的想法是節(jié)省電力。首先，我們必須瞄準(zhǔn)納安，這樣我們就不需要那么多的功率了。雖然有許多技術(shù)可以節(jié)省分立元件的功耗，但還有更多技術(shù)可以在集成電路（IC）中使用。其次，我們必須將無源器件置于混合IC封裝內(nèi)。我們可能會在里面放置一兩個分立元件，但肯定不是 10 個。讓我們試試。第三，我們必須問我們能有多小，這在邏輯上就像問在不犧牲效率的情況下，我們可以達(dá)到多高的頻率。我們能否獲得足夠高的頻率，以便我們實際上可以使用鍵合線或片上電容器？

開關(guān)電源有多種類型，但在本應(yīng)用筆記中，我們將重點介紹降壓電源。這需要更高的電壓并將其降低到較低的電壓。我們的重點是小電源，小于幾安培，電壓低于10V。小巧、輕便、高效的電源是消費類和便攜式電池設(shè)備中的標(biāo)志。

首先了解功率開關(guān)損耗

功率損耗（主要是熱量）發(fā)生在兩個方面：開關(guān)損耗和濾波損耗。開關(guān)損耗在導(dǎo)通和實際開關(guān)時間;當(dāng)將紋波降低到可接受的水平時，就會發(fā)生濾波器損耗。

傳導(dǎo)損耗是晶體管中的功率損耗，因為它們在導(dǎo)通條件下具有較小的電阻。請記住，沒有電阻的短路是不可能的，因為即使是機(jī)械開關(guān)也有一些電阻。雙極結(jié)（BJT）和金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）晶體管可用于不同的應(yīng)用。在本應(yīng)用筆記中，我們重點介紹互補MOS（CMOS）晶體管，因為它們是最常見的集成元件。一種權(quán)衡是具有低漏極源極導(dǎo)通電阻（R德森） 往往在物理上更大，切換緩慢。小模式CMOS晶體管速度快，但R更高德森.在IC內(nèi)部，我們可以并聯(lián)許多小型CMOS晶體管以降低R德森但是，當(dāng)然，我們永遠(yuǎn)不會白白得到一些東西。很快，并聯(lián)器件的電容、電阻和電感開始減慢開關(guān)速度。

開關(guān)損耗與打開和關(guān)閉晶體管所需的時間有關(guān)，損耗可能相當(dāng)可觀。顯然，我們必須更快地切換，但是如何切換呢？由于需要對電感和電容進(jìn)行充電和放電，因此存在限制。最終，隨著開關(guān)速度達(dá)到最短時間并且頻率上升，我們達(dá)到了一個點，即我們具有所有開關(guān)，上升和下降時間，并且沒有“準(zhǔn)時”。到那時，效率已經(jīng)完全消失了。

讓我們通過引入死區(qū)時間和射擊預(yù)防來使問題更加復(fù)雜。3, 4在圖1中，頂部和底部晶體管不能同時導(dǎo)通，否則電源接地短路。要非常小心地確保柵極驅(qū)動信號的時機(jī)正確，以防止這種情況發(fā)生。由于工藝變化，當(dāng)兩個晶體管都關(guān)斷時，設(shè)計人員會在波形中強制設(shè)置較短的死區(qū)時間。從可用時間段中減去該時間，進(jìn)一步降低可能的最高開關(guān)頻率。死區(qū)時間并不總是足以阻止所有擊穿?；蛘?，所需的死區(qū)時間太長，在最壞的情況下，開關(guān)效率會受到影響。當(dāng)兩個輸出器件都導(dǎo)通時（例如，電路故障或瞬態(tài)，如負(fù)載突然變化），就會發(fā)生直通事件。擊穿最常見于交越（死區(qū)時間）附近，此時晶體管幾乎完全打開或關(guān)閉。此時的瞬態(tài)可以部分或完全驅(qū)動兩個晶體管導(dǎo)通。

圖1.CMOS開關(guān)電源輸出級。

現(xiàn)在讓我們堆積另一個相互沖突的要求，其中“治愈”浪費能量并實際產(chǎn)生熱量。開關(guān)毛刺主要在輸出端形成阻抗失配。對于負(fù)載變化很大的通用電源，有時很難消除開關(guān)毛刺。因此，添加了瞬態(tài)緩沖器。瞬態(tài)緩沖器通常由電阻器、電感器、電容器（有時還包括二極管）組成。緩沖器用于減少可能損壞輸出晶體管和其他元件的開關(guān)瞬變。然而，緩沖器不擅長將多余的能量返回電路以提高效率。相反，它們將能量轉(zhuǎn)化為熱量。

濾波損耗通常由負(fù)載可以承受的紋波量定義。由于其數(shù)字閾值，數(shù)字電路可以承受更多的紋波。5模擬電路甚至無法承受少量紋波。

電感和電容器尺寸與頻率有關(guān)。隨著頻率的增加，電感和電容器縮小。想想大口大口地喝一大杯蘇打水的類比——這可能是“男子氣概”的事情，但一個孩子可以在許多小口中做同樣的工作。傳輸?shù)目偣β适窍嗤?，但小電感器和電容器可以在更高的頻率下實現(xiàn)，并且通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計，所需的低通濾波和功率損失更少。

啟動電源設(shè)計

現(xiàn)在有一些好消息。上述開關(guān)損耗對于具有多個分立元件的大型電源來說非常具有挑戰(zhàn)性。這些供應(yīng)必須適應(yīng)各種條件。然而，IC內(nèi)部定義明確、高度集成的電源使設(shè)計人員能夠控制、仿真和定制一些特殊的電路拓?fù)?。如果您知道一些交易技巧，那么設(shè)計并不難。

了解應(yīng)用程序

首先，我們必須收集有關(guān)設(shè)計的信息并徹底定義問題。練習(xí)中包括有關(guān)所需每個電壓和電流的詳細(xì)信息。公差、精度、負(fù)載和線路調(diào)整率是多少？最重要的是，真正需要什么電壓？如果電壓不需要嚴(yán)格的容差，電阻分壓器和阻抗轉(zhuǎn)換器（如晶體管或運算放大器）能勝任這項工作嗎？

由于幾個原因，熱量是一個主要問題。必須散熱以防止設(shè)備過熱。例如，當(dāng)手機(jī)被留在陽光下并密封在封閉的汽車中時，這可能是一個非常困難的挑戰(zhàn)。此外，過熱產(chǎn)生的任何熱量都會浪費電池壽命，并需要更頻繁地為電池充電。沒有人想要這樣。收費間隔時間是消費者最關(guān)心的問題。因此，效率很重要。

開關(guān)還是線性？

現(xiàn)在我們需要決定如何將電源劃分為開關(guān)配置和線性配置。提高開關(guān)電源效率的最佳方法是了解電源電壓（通常是電池和充電電壓下的電池）和負(fù)載變化。最高效的開關(guān)穩(wěn)壓器是負(fù)載電流變化不大的開關(guān)穩(wěn)壓器。減小電感和電容物理尺寸的一種簡單方法是提高開關(guān)頻率。6

讓我們舉個例子，一臺專用計算機(jī)在不同操作模式下所需的功率差異很大。我們可以想到兩個具有相似要求的應(yīng)用：衛(wèi)星接收器和監(jiān)控物理過程的計算機(jī)，也許在工廠內(nèi)部。這兩種情況都會間歇性地使用硬盤進(jìn)行低成本存儲。為了節(jié)省能源并延長光盤壽命，磁盤可以旋轉(zhuǎn)。我們規(guī)定光盤必須能夠在 20 秒內(nèi)旋轉(zhuǎn)并準(zhǔn)備好讀取或?qū)懭?。這意味著衛(wèi)星接收器必須提供至少 20 秒的半導(dǎo)體存儲器，以便操作員的任何命令都顯示為操作的無縫部分。過程監(jiān)控設(shè)備必須有足夠的內(nèi)存，以便數(shù)據(jù)可以間歇性地記錄在硬盤上，同時最大限度地減少將光盤旋轉(zhuǎn)到速度的必要性。另一種操作模式可能是深度睡眠，它需要最少的功率。在這里，衛(wèi)星接收器或工廠進(jìn)程在夜間不使用。無論哪種情況，都必須適應(yīng)每種操作模式以保持最高效率。

交易的集成技巧 — 思考“IC 內(nèi)部”

通用開關(guān)和線性三端穩(wěn)壓器需要在很寬的極端電流消耗下工作，因為設(shè)計人員無法預(yù)測它們的使用方式或地點。當(dāng)我們知道確切的應(yīng)用時，我們可以定制電路并優(yōu)化效率。例如，制造通用穩(wěn)壓器的簡單方法是將其限制在低帶寬以防止振蕩。然后，我們依靠去耦電容器來提供快速的高頻瞬態(tài)電流;穩(wěn)壓器提供較慢的平均電流。這通常是一個很好的設(shè)計權(quán)衡，因為IC附近的小本地電容可以減輕IC和穩(wěn)壓器之間連接的電阻和電感損耗。

對于音頻放大器中的已知負(fù)載，采用了不同的策略：使用更寬帶寬的功率調(diào)節(jié)。最簡單的例子是將基準(zhǔn)電壓扇出到許多放大階段。在這種方法中，可以使用運算放大器來隔離小電路部分并防止相互作用。

最小化去耦電容尺寸的另一種方法是在放大器的輸入端放置一個相對較小的電容，并利用增益來增加電容的有效尺寸（即米勒效應(yīng)）7).

想想晶體管。IC的優(yōu)點是其所有晶體管都是通過照相過程同時制造的。這確保了參數(shù)的緊密匹配，比在不同時間制造的分立晶體管更接近。圖1中的輸出級如果匹配良好，可以添加兩個晶體管。頂部晶體管和底部晶體管分別成為級聯(lián)配置中的兩個晶體管。由于晶體管施加的電壓只有晶體管的一半，因此可以更輕松地控制它們，以提高開關(guān)速度和效率。單個芯片上匹配良好的晶體管電路可以更輕松地控制寄生電容，從而控制時間延遲，以減少死區(qū)時間并控制多個電源的相位和時序。

另一個“IC內(nèi)部”選項起初聽起來很愚蠢 - 直到我們進(jìn)行數(shù)學(xué)和模擬。例如，我們有一個5V電源，想要制造2.5V和1.2V電源。傳統(tǒng)思維認(rèn)為我們構(gòu)建兩個并聯(lián)電源，5V至2.5V和5V至1.2V。在高頻（即30MHz至100MHz）下，濾波器或紋波損耗與開關(guān)損耗相比減小。人們必須進(jìn)行數(shù)學(xué)計算，看看級聯(lián)供應(yīng)是否會減少損失。級聯(lián)電源實際上意味著5V變?yōu)?.5V，然后2.5V電源變?yōu)?.2V。本質(zhì)上，1.2V電源的兩步進(jìn)存在雙轉(zhuǎn)換和雙效率損耗。簡單地說，5V至2.5V電源必須通過2.5V下使用的所有電流加上1.2V下使用的所有電流?，F(xiàn)在可能會發(fā)生一些令人驚訝的事情，因為與并聯(lián)條件相比，1.2V電源晶體管兩端的電壓只有一半：它們的開關(guān)損耗下降，特別是當(dāng)負(fù)載足夠輕以使級聯(lián)對更有效時。

在IC中制造干凈的電源，然后通過電流鏡為多個電路供電是很常見的。許多設(shè)計人員使用相同的npn晶體管，因為它們是同時制造的，具有相同的工藝，并且具有相同的V是電壓下降。通過將基極連接在一起，每個發(fā)射極可以將相同的電壓分配到許多不同的電路級。由于我們正在復(fù)制清潔電源，因此去耦電容器的數(shù)量大大減少。

結(jié)論

交響樂指揮協(xié)調(diào)樂器，以產(chǎn)生和諧，干凈和愉快的音樂呈現(xiàn)。項目工程師控制功率參數(shù)，從而形成一個令最終用戶滿意的和諧、高效的系統(tǒng)。對于指揮和工程師來說，魔鬼在細(xì)節(jié)中。我們的指揮必須能夠識別出完美的樂器演繹和糟糕的樂器演繹。我們的設(shè)計工程師必須能夠識別電源結(jié)構(gòu)中可能對整個設(shè)備產(chǎn)生負(fù)面影響的微小缺陷。

審核編輯：郭婷