3V/5V雙電源系統(tǒng)中的節(jié)能

節(jié)能是較低電源電壓和便攜式電子系統(tǒng)的共同點(diǎn)。電池供電和便攜式電子產(chǎn)品的首要需求——節(jié)省功耗——也是從5V轉(zhuǎn)向3.3V（或更低）電源軌的主要優(yōu)勢。即便如此，大多數(shù)3.3V設(shè)計也包括5V IC，因?yàn)闃I(yè)界尚未為設(shè)計人員提供完整的3.3V功能選擇。在此之前，許多便攜式產(chǎn)品必須同時使用5V和3.3V IC工作。

如以下討論所述，對目前可用的線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器有充分了解的設(shè)計人員可以很容易地在5V/3.3V系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高效工作。此類系統(tǒng)包括通常需要降壓轉(zhuǎn)換的便攜式計算機(jī)和通常需要升壓轉(zhuǎn)換的個人數(shù)字助理（PDA）。在這兩種情況下，電流消耗都是最小的。

無論需要升壓還是降壓轉(zhuǎn)換，您始終可以使用多個穩(wěn)壓器產(chǎn)生必要的電源電壓。作為替代方案，您可以選擇一個同時提供兩者的IC。本文介紹的其他主題包括下一代單 IC、雙 3.3V/5V 降壓穩(wěn)壓器，以及為奔騰、奔騰 Pro 和電源 PC 等高速處理器產(chǎn)生高精度電源電壓的 IC。

雙穩(wěn)壓器降壓配置

三種實(shí)用拓?fù)淇捎糜谑褂脙蓚€降壓穩(wěn)壓器從單個輸入電壓獲得 5V 和 3.3V（例如）。它們是獨(dú)立的 5V 和 3.3V 開關(guān)穩(wěn)壓器，并聯(lián)到輸入電壓，5V 開關(guān)穩(wěn)壓器連接到輸入并為 3.3V 開關(guān)穩(wěn)壓器供電，5V 開關(guān)穩(wěn)壓器連接到輸入并為 3.3V 線性穩(wěn)壓器供電。第四種可能性——兩個串聯(lián)或并聯(lián)的線性穩(wěn)壓器——對于大多數(shù)應(yīng)用來說效率太低。

最有效的方法是兩個連接到輸入的開關(guān)穩(wěn)壓器。第二種方法——由3V開關(guān)穩(wěn)壓器供電的3.5V開關(guān)穩(wěn)壓器——乍一看很有吸引力，因?yàn)榈诙N開關(guān)穩(wěn)壓器的電壓降較低（5V減去3.3V），因此功耗更低。然而，3.3V轉(zhuǎn)換的總體效率（5V轉(zhuǎn)換器效率乘以3.3V轉(zhuǎn)換器的效率）相當(dāng)差。無論哪種方式，使用兩個開關(guān)轉(zhuǎn)換器都能為您提供最高的效率。它還為您提供了最高的成本和最大的噪音，并且占用了最多的 PC 板面積。

如果線性穩(wěn)壓器僅提供適量的電流，則第三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很有希望。如果該穩(wěn)壓器的內(nèi)部電源電流遠(yuǎn)小于其輸出電流，則其效率僅為V外/V在乘以 100。因此，線性穩(wěn)壓器將5V轉(zhuǎn)換為3.3V，效率為66%。對于某些應(yīng)用來說，這種功率損耗是可以接受的，但請記住，必須將66%乘以5V開關(guān)電源效率才能獲得3.3V轉(zhuǎn)換的總體效率。

電源效率衡量電源中浪費(fèi)的電量。在便攜式電源中，這種功率浪費(fèi)很重要，原因有兩個：它看起來像熱量，很難從緊密的外殼中去除，并且必須通過從電池中吸收更多電流來補(bǔ)償，這會縮短電池壽命。

作為另一個考慮因素，線性穩(wěn)壓器通常需要在輸入和輸出之間具有一定的最小電壓。降5V至3.3V的穩(wěn)壓器從輸入到輸出的電壓為1.7V，但如果5V降至4.75V，輸出上升至3.47V，則穩(wěn)壓器僅看到1.3V。這種穩(wěn)壓器可承受低輸入至輸出差分而不會損失穩(wěn)壓，稱為“低壓差”穩(wěn)壓器。因此，久負(fù)盛名的低成本7800系列線性穩(wěn)壓器不適合此應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兊膲翰钐摺?/p>

線性穩(wěn)壓器本身所需的靜態(tài)電源電流量也很重要。該電流水平主要取決于輸入和輸出之間的晶體管類型（稱為“調(diào)整管”）。雙極調(diào)整管比MOSFET調(diào)整管消耗更多的電流。為了說明這一點(diǎn)，ADI公司的MAX604是一款3.3V/500mA輸出低壓差線性穩(wěn)壓器，其MOSFET調(diào)整管允許的最大靜態(tài)電源電流僅為35μA。

開關(guān)穩(wěn)壓器的選擇受與控制方案類型相關(guān)的權(quán)衡的影響，無論是脈寬調(diào)制 （PWM） 還是脈沖頻率調(diào)制 （PFM）。PFM類型也稱為“脈沖跳躍”穩(wěn)壓器。脈沖跳躍器的靜態(tài)電流較低，但對于某些應(yīng)用，PWM類型更好，因?yàn)槠浞€(wěn)定的高開關(guān)頻率允許使用較小的電感器和（通常）較小的濾波電容器?，F(xiàn)代限流PFM轉(zhuǎn)換器也包含小電感值，但由于通過電感的紋波電流較大，它們通常需要較低的ESR。

這兩種類型的開關(guān)穩(wěn)壓器（PWM和PFM）通過它們產(chǎn)生的噪聲類型進(jìn)一步區(qū)分。所有開關(guān)穩(wěn)壓器都會產(chǎn)生噪聲，但脈沖跳躍器在其噪聲頻譜中會產(chǎn)生額外的組件。由于PFM轉(zhuǎn)換器通過一系列抑制開關(guān)的間隔來維持調(diào)節(jié)，因此它產(chǎn)生的輸出傅里葉頻譜的分量低于開關(guān)頻率本身。

您應(yīng)該意識到這種次諧波噪聲，但在大多數(shù)應(yīng)用中它沒有任何影響。即使在對次諧波噪聲敏感的應(yīng)用中，如果峰峰值紋波幅度可以保持在足夠低的水平，也不太可能注意到其影響。然而，電信行業(yè)往往對使用這種開關(guān)穩(wěn)壓器感到不安。

單IC降壓轉(zhuǎn)換器

便攜式系統(tǒng)中的負(fù)載電流通常變化很大，這給設(shè)計人員帶來了提高效率和減小元件尺寸的挑戰(zhàn)。一種方案是MAX782等IC，它以最高效率為便攜式系統(tǒng)提供多種穩(wěn)壓電源電壓，以適應(yīng)負(fù)載電流的變化。效率在由關(guān)斷、掛起和運(yùn)行工作模式表示的負(fù)載電流范圍內(nèi)至關(guān)重要。

關(guān)斷時，便攜式系統(tǒng)的負(fù)載通常由靜態(tài)RAM、實(shí)時時鐘和電源管理邏輯組成，因此靜態(tài)電源電流僅為幾百微安。MAX782通過兩個低壓差、微功耗線性穩(wěn)壓器適應(yīng)這種狀態(tài)，保持3.3V和5V輸出，同時僅吸收70μA電池電流。由于負(fù)載較輕，線性穩(wěn)壓器的效率相對較差不是問題。

在掛起狀態(tài)下，電源電流范圍為 3mA 至 10mA，而主處理器以大大降低的時鐘速率運(yùn)行。線性穩(wěn)壓器在這些電流水平下消耗的功率不允許當(dāng)今便攜式系統(tǒng)預(yù)期的電池壽命。然而，由于開關(guān)損耗，這些相同的適度負(fù)載使得高頻開關(guān)穩(wěn)壓器不合適。降低開關(guān)損耗的一種方法是減少開關(guān)頻率。

通過以較低頻率開關(guān)和降脈沖（脈沖跳躍），輕載MAX782轉(zhuǎn)換器的開關(guān)量更小。對于較重的負(fù)載電流，它成為開關(guān)頻率為300kHz的PWM穩(wěn)壓器，可實(shí)現(xiàn)高效率和小型外部元件。PWM和脈沖跳躍操作之間的轉(zhuǎn)換在負(fù)載電流高于和低于滿負(fù)載的27%時自動發(fā)生。這種模式轉(zhuǎn)換可產(chǎn)生最佳效率：5V 穩(wěn)壓器在重負(fù)載下的效率為 95%，在負(fù)載電流低至滿量程 80% 時效率超過 1%。

各種內(nèi)置功能使MAX782能夠節(jié)省電池電流。它控制一個外部同步整流器（一種具有低導(dǎo)通電阻的開關(guān)MOSFET，取代傳統(tǒng)的肖特基整流器），從而降低輕負(fù)載和重負(fù)載下的整流器損耗。一旦芯片上電并工作，內(nèi)部切換電路會自動將內(nèi)部電源軌連接到效率為 95% 的 5V 電源。此外，輸出電流限值的低電壓門限可降低檢測電阻的功率損耗。即使兩個開關(guān)穩(wěn)壓器都工作，整個25W MAX782電路也僅消耗470μA的靜態(tài)電池電流。

英特爾的奔騰和奔騰Pro，摩托羅拉的Power PC和其他高速處理器所需的電源電壓范圍低于3.3V。這些處理器對 V 有非常嚴(yán)格的公差要求抄送盡管它們對電源施加了快速的負(fù)載電流瞬變。MAX782及其衍生產(chǎn)品（MAX783和MAX786）通過增加外部運(yùn)算放大器來增加穩(wěn)壓器的環(huán)路增益，從而輕松提供更高的精度。類似地，MAX797產(chǎn)生單路、高精度電源電壓，用于微處理器內(nèi)核邏輯的工作。

近期產(chǎn)品

新一代MAX782型雙輸出開關(guān)穩(wěn)壓器將提供增強(qiáng)的輕載效率、更低的壓差和其他改進(jìn)。這些新產(chǎn)品（MAX1996系列）將于1630年3月發(fā)布，還具有內(nèi)部軟啟動功能、禁用輕負(fù)載脈沖跳躍模式、過壓和欠壓保護(hù)以及全關(guān)斷工作模式。板載上電排序?qū)⒃试S3.5V出現(xiàn)在3V之前（反之亦然），并且每個電源電壓將具有數(shù)字開/關(guān)控制。每個輸出兩個外部電阻將使IC能夠產(chǎn)生3.5V和<>V以外的輸出電壓。

在當(dāng)今的系統(tǒng)中，開關(guān)穩(wěn)壓器對最新動態(tài)時鐘CPU產(chǎn)生的負(fù)載電流瞬變提供的響應(yīng)極其重要。例如，即將推出的MAX1630系列IC產(chǎn)生的電源電壓將在300kHz時鐘的五個周期內(nèi)從此類負(fù)載瞬變中恢復(fù)。

MAX1630 IC包括用于外部MOSFET的強(qiáng)大柵極驅(qū)動電路。（考慮到功率MOSFET的大柵極電容，其柵極驅(qū)動器必須提供驚人的大電流才能快速移動?xùn)艠O電壓。MAX1630內(nèi)部的驅(qū)動器提供1.5A電流，確保外部n溝道MOSFET的快速開關(guān)。

MAX1630/MAX1633和MAX1632/MAX1635 IC除12V和120.5V穩(wěn)壓器外，均包含3V/3mA線性穩(wěn)壓器。MAX12/MAX1631器件代替1634V穩(wěn)壓器，接受來自變壓器次級的反饋，并提供控制引腳，選擇哪個穩(wěn)壓器（3.3V或5V）接收次級反饋信號。該信號有助于產(chǎn)生12V以外的輔助電壓。它通過一個外部電阻分壓器耦合，調(diào)節(jié)次級繞組的電壓調(diào)節(jié)點(diǎn)。圖1顯示了一個簡化的應(yīng)用電路，不包含變壓器，因此僅產(chǎn)生兩個輸出電壓。

圖1.該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用電路采用第二代多輸出降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器IC。

MAX1633-MAX1635 IC缺少M(fèi)AX1630-MAX1632器件內(nèi)部的欠壓和過壓保護(hù)，用于原型板的故障排除，也用于電源電壓由?；铍娫幢３值膽?yīng)用，否則會干擾過壓保護(hù)電路。

雙穩(wěn)壓器升壓配置

其中一個雙穩(wěn)壓器升壓拓?fù)洳捎靡粋€開關(guān)穩(wěn)壓器升壓至 5V，采用線性穩(wěn)壓器從 5V 降壓至 3.3V（圖 2）。該電路以效率換取簡單性。升壓效率通常小于降壓效率，從輸入到3.3V的總轉(zhuǎn)換等于5V穩(wěn)壓器的升壓效率乘以66%（線性穩(wěn)壓器的輸出超過輸入的倍數(shù)為100）。

圖2.這種組合通過一個開關(guān)穩(wěn)壓器升壓和線性穩(wěn)壓器下調(diào)產(chǎn)生 5V 和 3.3V 穩(wěn)壓輸出。

您可以通過用另一個開關(guān)穩(wěn)壓器替換線性穩(wěn)壓器來提高轉(zhuǎn)換效率，該穩(wěn)壓器從V升壓在至3.3V，但代價是成本、輸出噪聲和電路板面積增加。在輕負(fù)載應(yīng)用中，請注意，MAX866升壓開關(guān)穩(wěn)壓器可以代替MAX1771，允許從較低電壓啟動，如單節(jié)電池。由于最小啟動電壓是負(fù)載電流的函數(shù)，因此必須在最大預(yù)期負(fù)載下測試此參數(shù)。例如，MAX866在空載時保證啟動電壓不超過0.9V，在1mA時保證啟動電壓為2.20V（未保證）。

為了能夠以盡可能小的電源電壓啟動，工程師有時會安排僅在穩(wěn)壓器啟動后連接負(fù)載。啟動后，自舉配置中的升壓型開關(guān)穩(wěn)壓器能夠在低于其最小允許啟動電平的電源電壓下運(yùn)行。這種行為有利于連續(xù)運(yùn)行的電池供電系統(tǒng);當(dāng)電池新鮮時，它們很容易啟動，并在電池電壓下降到遠(yuǎn)低于最低啟動水平時繼續(xù)運(yùn)行。例如，MAX866繼續(xù)提供20mA電流，而輸入電壓可能降至1.0V。對于以較高啟動電壓為代價的較大負(fù)載電流，請考慮MAX1771或MAX856系列穩(wěn)壓器。

最后，ADI公司提供一款雙電壓升壓穩(wěn)壓器，可產(chǎn)生3.3V和5V電壓，具有中等輸出電流能力（圖3）。其主開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生 3.3V 電壓，電流為 I外能力（最大800mA）與輸入電壓成正比。輔助 5V 電源需要一個外部 MOSFET 和檢測電阻器，其最大允許輸出電流取決于 V在、限流電阻器和其他外部元件。

圖3.一個單IC雙輸出升壓開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生3.3V和5V輸出。

MAX720不僅通過可選的壁式立方體電源輸出工作;通過監(jiān)控壁立方體連接，當(dāng)墻面立方體電源可用時，它通過關(guān)閉主 5V 電源來延長電池壽命。還提供一種關(guān)斷模式，該模式禁用兩個開關(guān)電源，但線性穩(wěn)壓器工作時（通常通過墻上立方體的電源）會進(jìn)行超控。

審核編輯：郭婷