請(qǐng)注意，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器操作可以是連續(xù)的，也可以是不連續(xù)的。在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下工作時(shí)，電感電流永遠(yuǎn)不會(huì)降至零;在非連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）下工作時(shí)，電感電流可能降至零。低功耗降壓轉(zhuǎn)換器很少在DCM中工作。電流紋波，顯示為 ΔIL在圖2中，通常設(shè)計(jì)為標(biāo)稱(chēng)負(fù)載電流的20%至50%。

在圖3中，開(kāi)關(guān)A和開(kāi)關(guān)B分別使用PFET和NFET開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，以創(chuàng)建同步降壓穩(wěn)壓器。術(shù)語(yǔ)同步表示 FET 用作下部開(kāi)關(guān)。使用肖特基二極管代替下部開(kāi)關(guān)的降壓穩(wěn)壓器定義為異步（或異步）。為了處理低功耗，同步降壓穩(wěn)壓器效率更高，因?yàn)镕ET的壓降低于肖特基二極管。但是，如果在電感電流達(dá)到零時(shí)底部FET不釋放，同步轉(zhuǎn)換器在輕負(fù)載下的效率將受到影響，并且額外的控制電路會(huì)增加IC的復(fù)雜性和成本。

圖3.降壓穩(wěn)壓器集成了振蕩器、PWM 控制環(huán)路和開(kāi)關(guān) FET。

當(dāng)今的低功耗同步降壓穩(wěn)壓器使用脈寬調(diào)制（PWM）作為主要工作模式。PWM保持頻率恒定并改變脈沖寬度（t上） 來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。提供的平均功率與占空比D成正比，使其成為為負(fù)載供電的有效方式。

FET開(kāi)關(guān)由脈寬控制器控制，該控制器在控制環(huán)路中使用電壓或電流反饋來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓以響應(yīng)負(fù)載變化。低功耗降壓轉(zhuǎn)換器的工作頻率通常在1 MHz至6 MHz之間。 較高的開(kāi)關(guān)頻率允許使用更小的電感器，但開(kāi)關(guān)頻率每增加一倍，效率就會(huì)降低約2%。

PWM 操作并不總是能提高輕負(fù)載下的系統(tǒng)效率。例如，考慮顯卡的電源電路。隨著視頻內(nèi)容的變化，驅(qū)動(dòng)圖形處理器的降壓轉(zhuǎn)換器上的負(fù)載電流也會(huì)發(fā)生變化。連續(xù)PWM操作可以處理很寬范圍的負(fù)載電流，但在輕負(fù)載時(shí)效率會(huì)迅速降低，因?yàn)榉€(wěn)壓器所需的功率消耗了輸送到負(fù)載的總功率的較大百分比。對(duì)于便攜式應(yīng)用，降壓穩(wěn)壓器集成了額外的節(jié)能技術(shù)，例如脈沖頻率調(diào)制（PFM）、脈沖跳躍或兩者的組合。

ADI公司將高效輕負(fù)載操作定義為省電模式（PSM）。當(dāng)進(jìn)入省電模式時(shí)，PWM調(diào)節(jié)電平中感應(yīng)的失調(diào)導(dǎo)致輸出電壓上升，直到達(dá)到PWM調(diào)節(jié)電平以上約1.5%，此時(shí)PWM操作關(guān)閉：兩個(gè)電源開(kāi)關(guān)都關(guān)閉，進(jìn)入空閑模式。C外允許放電直到V外降至PWM調(diào)節(jié)電壓。然后，器件驅(qū)動(dòng)電感，導(dǎo)致V外再次上升到上限閾值。只要負(fù)載電流低于省電電流閾值，就會(huì)重復(fù)此過(guò)程。

ADP2138是一款緊湊型800 mA、3 MHz、降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。圖4所示為典型應(yīng)用電路。圖5顯示了強(qiáng)制PWM和自動(dòng)PWM/PSM操作之間的效率改進(jìn)。由于頻率可變，PSM干擾可能難以濾除，因此許多降壓穩(wěn)壓器都包含一個(gè)MODE引腳（如圖4所示），允許用戶(hù)強(qiáng)制連續(xù)PWM操作或允許自動(dòng)PWM/PSM操作。MODE 引腳可以硬連線(xiàn)用于任一工作模式，也可以在需要時(shí)動(dòng)態(tài)切換以節(jié)省功耗。

圖4.ADP2138/ADP2139典型應(yīng)用電路。

圖5.ADP2138在（a）連續(xù)PWM模式和（b）PSM模式下的效率。

降壓穩(wěn)壓器提高效率

更高的效率允許在更換或充電之前延長(zhǎng)電池工作時(shí)間，這是新的便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)中非常理想的功能。例如，可充電鋰離子電池可以使用ADP125 LDO在0.8 V電壓下驅(qū)動(dòng)500 mA負(fù)載，如圖6所示。LDO 的效率，V外/V在×100%，即0.8/4.2，僅為19%。LDO 無(wú)法存儲(chǔ)未使用的能量，因此未輸送到負(fù)載的 81% （1.7 W） 功率在 LDO 內(nèi)作為熱量消散，這可能導(dǎo)致手持設(shè)備快速升溫。使用ADP2138開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器在4.2 V輸入和0.8 V輸出下提供82%的工作效率，可提供四倍以上的效率，并降低便攜式設(shè)備的溫升。系統(tǒng)效率的這種實(shí)質(zhì)性改進(jìn)導(dǎo)致大量開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器被設(shè)計(jì)到便攜式設(shè)備中。

圖6.低壓差穩(wěn)壓器ADP125可驅(qū)動(dòng)500 mA負(fù)載。

按鍵降壓轉(zhuǎn)換器規(guī)格和定義

輸入電壓范圍：降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍決定了最低可用輸入電源電壓。規(guī)格可能顯示寬輸入電壓范圍，但 V在必須大于 V外實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。例如，穩(wěn)定的3.3 V輸出電壓要求輸入電壓高于3.8 V。

接地或靜態(tài)電流： 我Q是直流偏置電流未輸送到負(fù)載。具有較低 I 的器件Q提供更高的效率。我Q但是，可以針對(duì)許多條件進(jìn)行指定，包括關(guān)斷、零負(fù)載、PFM 操作或 PWM 操作，因此最好查看特定工作電壓和負(fù)載電流下的實(shí)際工作效率數(shù)據(jù)，以確定最適合應(yīng)用的降壓穩(wěn)壓器。

關(guān)斷電流： 使能引腳設(shè)置為關(guān)斷時(shí)消耗的輸入電流。對(duì)于低功耗降壓穩(wěn)壓器，該電流通常遠(yuǎn)低于1 μA，在便攜式設(shè)備處于休眠模式時(shí)，電池待機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)非常重要。

輸出電壓精度： ADI公司的降壓轉(zhuǎn)換器專(zhuān)為高輸出電壓精度而設(shè)計(jì)。固定輸出器件在 25°C 時(shí)經(jīng)過(guò)工廠調(diào)整至優(yōu)于 ±2%。 輸出電壓精度在工作溫度、輸入電壓和負(fù)載電流范圍內(nèi)指定，最壞情況下的誤差指定為 ±x%。

線(xiàn)路調(diào)整率： 線(xiàn)路調(diào)整率是在額定負(fù)載下由輸入電壓變化引起的輸出電壓變化。

負(fù)載調(diào)整率：負(fù)載調(diào)整率是輸出電壓隨輸出電流變化而變化。大多數(shù)降壓穩(wěn)壓器可以保持輸出電壓基本恒定，以緩慢變化負(fù)載電流。

負(fù)載瞬變：當(dāng)負(fù)載電流從低電平快速變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，可能會(huì)發(fā)生瞬態(tài)誤差，從而導(dǎo)致在 PFM 和 PWM 之間或從 PWM 切換到 PFM 操作之間的模式切換。并不總是指定負(fù)載瞬變，但大多數(shù)數(shù)據(jù)手冊(cè)都有不同工作條件下的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)圖。

電流限制： ADP2138等降壓穩(wěn)壓器集成了保護(hù)電路，以限制流過(guò)PFET開(kāi)關(guān)和同步整流器的正電流量。正電流控制限制了從輸入流向輸出的電流量。負(fù)電流限制可防止電感電流反轉(zhuǎn)方向并流出負(fù)載。

軟啟動(dòng)： 降壓穩(wěn)壓器必須具有內(nèi)部軟啟動(dòng)功能，該功能在啟動(dòng)時(shí)以受控方式斜坡上升輸出電壓，以限制浪涌電流。這可以防止電池或高阻抗電源的輸入電壓在連接到轉(zhuǎn)換器輸入時(shí)下降。器件使能后，內(nèi)部電路開(kāi)始上電循環(huán)。

啟動(dòng)時(shí)間：啟動(dòng)時(shí)間是使能信號(hào)上升沿與V之間的時(shí)間外達(dá)到其標(biāo)稱(chēng)值的90%。該測(cè)試通常使用 V 進(jìn)行在應(yīng)用，使能引腳從關(guān)閉切換到打開(kāi)。在使能連接到 V 的情況下在，當(dāng) V在從關(guān)切換到開(kāi)，啟動(dòng)時(shí)間可能會(huì)大大增加，因?yàn)榭刂骗h(huán)路需要時(shí)間來(lái)穩(wěn)定。降壓穩(wěn)壓器的啟動(dòng)時(shí)間對(duì)于頻繁打開(kāi)和關(guān)閉穩(wěn)壓器以節(jié)省便攜式系統(tǒng)功耗的應(yīng)用非常重要。

熱關(guān)斷：如果結(jié)溫上升到指定限值以上，熱關(guān)斷電路將關(guān)閉穩(wěn)壓器。極端結(jié)溫可能是高電流操作、電路板冷卻不良或環(huán)境溫度高的結(jié)果。保護(hù)電路中包括遲滯，以防止在片內(nèi)溫度降至預(yù)設(shè)限值以下之前恢復(fù)正常工作。

100% 占空比操作： 隨著V的下降在或 I 增加負(fù)荷，降壓穩(wěn)壓器達(dá)到 PFET 開(kāi)關(guān) 100% 導(dǎo)通時(shí)間的限值和 V外降至所需輸出電壓以下。在此限值下，ADP2138平滑過(guò)渡到PFET開(kāi)關(guān)100%保持開(kāi)啟狀態(tài)的模式。當(dāng)輸入條件發(fā)生變化時(shí)，器件立即重新啟動(dòng)PWM調(diào)節(jié)，無(wú)V過(guò)沖外.

放電開(kāi)關(guān)：在某些系統(tǒng)中，如果負(fù)載非常輕，降壓穩(wěn)壓器的輸出可以在系統(tǒng)進(jìn)入休眠模式后保持高電平一段時(shí)間。然后，如果系統(tǒng)在輸出電壓放電之前啟動(dòng)上電序列，則系統(tǒng)可能會(huì)閂鎖，或者器件可能會(huì)損壞。ADP2139降壓穩(wěn)壓器使用集成開(kāi)關(guān)電阻（典型值為100 Ω）在使能引腳變低或器件進(jìn)入欠壓鎖定或熱關(guān)斷狀態(tài)時(shí)對(duì)輸出放電。

欠壓鎖定：欠壓鎖定（UVLO）確保僅當(dāng)系統(tǒng)輸入電壓高于指定閾值時(shí)，才向負(fù)載提供電壓。UVLO很重要，因?yàn)樗鼉H當(dāng)輸入電壓等于或高于穩(wěn)定工作所需的值時(shí)，才允許器件上電。

結(jié)論

低功耗降壓穩(wěn)壓器揭開(kāi)開(kāi)關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的神秘面紗。ADI公司提供一系列高度集成的降壓穩(wěn)壓器，這些穩(wěn)壓器堅(jiān)固耐用、易于使用且經(jīng)濟(jì)高效，只需極少的外部元件即可實(shí)現(xiàn)高工作效率。

審核編輯：郭婷