隨著筆記本電腦和電話體積變小，重量減輕，便攜式電子產(chǎn)品越來(lái)越受歡迎。這加強(qiáng)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的重點(diǎn)，即減小電子設(shè)備的尺寸和重量，特別是電源電路。諸如電路板空間，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，電池壽命已經(jīng)成為便攜式設(shè)備的一個(gè)主要銷售特征，因?yàn)橛脩艨梢灶A(yù)期今天的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間比兩年前購(gòu)買的系統(tǒng)長(zhǎng)得多。

在眾多應(yīng)用策略中實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約，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)壓器降低了這些電源的能量損耗，為系統(tǒng)的其余部分運(yùn)行留下了更多的能量。新的電池技術(shù)也可以達(dá)到同樣的目的，既可以在不降低容量的情況下減小尺寸，也可以在保持相同尺寸（和重量）的同時(shí)提高容量。待機(jī)（或睡眠）模式有意義，特別是當(dāng)本地發(fā)生電源轉(zhuǎn)換時(shí)，靠近相應(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驅(qū)動(dòng)器或手機(jī)中的發(fā)射器。

較新的調(diào)節(jié)器使設(shè)計(jì)人員可以減小尺寸和總體成本整個(gè)系統(tǒng)解決方案，因?yàn)樗麄円部梢允褂酶?，更便宜的外部元件，?a target="_blank">電容器和電感器。

簡(jiǎn)單的線性穩(wěn)壓器已經(jīng)存在很長(zhǎng)時(shí)間了;但是雖然它們的成本很低，但它們的壓差電壓 - 傳輸晶體管上的最小壓降 - 相對(duì)較高，通常在1.5和3 V之間。低壓差穩(wěn)壓器（LDO）的發(fā)展，壓差低至0.1 V / 0.4 V / 100 mA負(fù)載電流 - 使穩(wěn)壓器的功耗降低約90％ - 是一項(xiàng)重大改進(jìn)。除了比上述簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)器的情況更低的耗散之外，可以使用更低電壓的電池，或者在需要更換或再充電之前電池可以放電到更低的電壓。這意味著更長(zhǎng)的運(yùn)營(yíng)時(shí)間。

ADI公司的低壓差穩(wěn)壓器包括：

• 通用ADM66x系列和ADP3367，其壓差電壓范圍為1 V至100 mV / 100 mA。
• 新一代高性能，±0.5％ - 精度 anyCAP ^? LDO穩(wěn)壓器，ADP3300，ADP3301和ADP3303適用于50,100和250 mA滿量程輸出，每100 mA的壓差水平為100或200 mV。
• ADP3301的雙100 mA版ADP3302具有相同的±0.5％精度和低120- mV壓差水平。

傳統(tǒng)的LDO需要一個(gè)體積龐大，價(jià)格昂貴的10μF負(fù)載電容，并具有精心選擇的等效串聯(lián)電阻（ESR）; ADP330x系列可以使用多種電容器類型和數(shù)值 - 典型示例可能是0.47μF，低成本的多層陶瓷電容器。這項(xiàng)重要技術(shù)已獲得專利，并已標(biāo)記為“anyCAP ^?”。

LDO比傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器更有效，并擴(kuò)展了電池的有用工作電壓，但是電壓降浪費(fèi)寶貴的電力[ W =（ V _IN - V _OUT ） × I _L ]。所有線性穩(wěn)壓器都需要比輸出電壓更高的輸入電壓;它們只能調(diào)節(jié)到所需的值，永遠(yuǎn)不會(huì)提升到它。因此，為了提高效率，并使輸出電壓超過(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)電容調(diào)節(jié)器或轉(zhuǎn)換器。

通過(guò)消除功耗傳輸晶體管，開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器電路[見(jiàn)側(cè)欄]的效率可達(dá)90％甚至更多。因此，更多的電池能量進(jìn)入動(dòng)力設(shè)備，導(dǎo)致操作時(shí)間增加。然而，在獲得高效率時(shí)，開(kāi)關(guān)模式調(diào)節(jié)器也帶來(lái)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，這兩者在便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)中都是至關(guān)重要的。它還增加了系統(tǒng)成本。

為了最大限度地減少這些問(wèn)題，在某些情況下，開(kāi)關(guān)頻率會(huì)被推高至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）或脈沖寬度調(diào)制（PWM） ¹ 模式下工作，會(huì)產(chǎn)生輸入和輸出紋波和電噪聲（電磁干擾或EMI）當(dāng)電流切換時(shí)。 ² 因此，根據(jù)應(yīng)用，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)壓器的更高效率使其在筆記本電腦等應(yīng)用中廣受歡迎。

ADI公司推出的其中一款開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是ADP3000（見(jiàn)邊欄）。它可以在升壓，降壓和逆變器模式下工作。在 boost 模式下，它接受2 V至12 V的輸入電壓，在降壓模式下，輸入電壓最高可達(dá)30 V.固定電壓為3.3 V，5 V和提供12 V電壓，可調(diào)節(jié)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，它在靜止或待機(jī)模式下僅消耗500μA。 400kHz的開(kāi)關(guān)頻率意味著只需要一個(gè)小的外部電感。在大多數(shù)情況下，可用的最小尺寸電感（對(duì)于1A峰值電流為2.2μH至15μH）就足夠了。其他主要特性是低輸出電壓紋波 ³ - 在3.3V輸出可調(diào)電流限制下小于40 mV pp，以及可用作低電池檢測(cè)器，線性穩(wěn)壓器的輔助放大器，電壓鎖定或誤差放大器。下面的示例將說(shuō)明如何在實(shí)際應(yīng)用中使用這些功能。

開(kāi)關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換器是另一種避免與LDO相關(guān)的損耗的技術(shù)。最近推出的具有穩(wěn)壓輸出的ADP3604開(kāi)關(guān)電容電壓逆變器就是一個(gè)例子。該器件提供穩(wěn)壓電壓，電壓損耗最小，外部元件極少，無(wú)引線器或變壓器。 ADP3604采用240 kHz內(nèi)部振蕩器，可產(chǎn)生120 kHz的開(kāi)關(guān)頻率，與ADM660和ADM8660等早期設(shè)計(jì)相比，使用的電容器體積更小，成本更低。它接受+4.5 V至+6.0 V的輸入電壓，輸出電壓為-3 V，精度為±3％，輸出電流高達(dá)120 mA。

如上所述，電池技術(shù)也取得了很大進(jìn)步。雖然過(guò)去使用不多，但鋰離子（Li離子）類型成為許多近期應(yīng)用的首選電池，原因很充分：它們具有最佳的能量密度（充電容量與重量的比率），并且它們具有由于自放電電流非常低，待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)。但他們確實(shí)有一種行為，如果沒(méi)有復(fù)雜的電子產(chǎn)品，它們很難使用。它們的輸出電壓在放電時(shí)不斷下降。與Ni-Cd或NiMH電池不同，Ni-Cd或NiMH電池具有較長(zhǎng)的平臺(tái)，然后在容量結(jié)束時(shí)相當(dāng)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，和具體的制造商）;然后，當(dāng)它放電時(shí)，電壓幾乎呈線性下降，一直下降到2.5V左右。超過(guò)這一點(diǎn)，由于進(jìn)一步放電會(huì)損壞電池，需要重新充電。

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4.2至2.7 V的輸入范圍內(nèi)，輸出保持在±1％范圍內(nèi)，每路輸出負(fù)載0至100 mA，工作溫度范圍為-40至+ 85°C。當(dāng)輸入電壓降至2.5 V時(shí)，電路具有自動(dòng)關(guān)閉功能以保護(hù)電池。

輸入電壓變化可產(chǎn)生恒定的+ 3 V輸出，當(dāng)輸入始終為輸入時(shí)，使用LDO或降壓 - 調(diào)節(jié)器（當(dāng)輸入總是大于+ 3-V輸出時(shí)）或使用 boost - 調(diào)節(jié)器時(shí)對(duì)于單個(gè)鋰離子電池在延長(zhǎng)的壽命期間產(chǎn)生+ 3-V輸出的例子，當(dāng)輸入小于3.1 V并且高于該電壓時(shí)，必須提供升壓。有幾種方法可以做到這一點(diǎn)。例如，ADP1147型降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可用于反激模式。缺點(diǎn)是輸入和輸出都有紋波?；蛘?，ADP3000可用于單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器電路（SEPIC），數(shù)據(jù)手冊(cè)中顯示的應(yīng)用，使用兩個(gè)電感器;它的弱點(diǎn)是相當(dāng)大的波紋。圖2的ADP3000電路采用ADP3302雙輸出LDO，經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可與最小屏蔽6.8μμH電感一起工作，從而節(jié)省空間和資金。更小更便宜的是開(kāi)放式電感器 - 桿式 - 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）的電壓高于參考電壓（1.245 V）。 LDO（ADP3302）將輸出電壓調(diào)節(jié)為3 V.負(fù)載電流（最高2×100 mA）穩(wěn)定地流過(guò)電感（電阻為0.12歐姆），肖特基二極管（D1）的正向電壓<0.2 V，總電壓降約為0.23 V。

隨著電池電壓隨時(shí)間降低，F(xiàn)b處的電壓按比例減小。當(dāng)輸入降至約3.7 V以下時(shí)，F(xiàn)b處的電壓低于1.245V參考電壓（分壓器R9-R10）。內(nèi)部比較器改變狀態(tài)，ADP3000的振蕩器啟動(dòng);由電感和二極管構(gòu)成的升壓轉(zhuǎn)換器開(kāi)始將能量轉(zhuǎn)移到電容器C3中，以使Fb處的電壓保持在1.245V左右。電池電壓越低，傳輸?shù)哪芰吭蕉?，?dǎo)致增加開(kāi)關(guān)頻率，在關(guān)斷前（在2.5 V時(shí)）達(dá)到100 kHz以上，給定200 mA滿載 ⁴ 。

ADP3000的SET輸入（引腳7） ）通過(guò)R1-R2分壓器持續(xù)監(jiān)控輸入電壓。當(dāng)它低于2.53 V（介于2.74 V和2.53 V之間時(shí)，取決于ADP3000內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓源），Ao（引腳6）將變?yōu)檫壿嫷碗娖?，并通過(guò)拉動(dòng)SD1和SD來(lái)關(guān)閉ADP3302 LDO穩(wěn)壓器。 SD2（引腳6和7）接地。同時(shí)，晶體管導(dǎo)通（分壓器R5-R6）以將Fb拉高并確保振蕩器關(guān)閉。 ADP3000的電池剩余負(fù)載電流僅為500μA，另外還有一個(gè)可選的微型LED作為電池耗盡警報(bào)連接到Ao（點(diǎn)線）。

33 nF電容（C2） ）用于將電源電壓中的饋通濾波到敏感反饋點(diǎn)Fb。連接到I _LIM 的120歐姆電阻（R4）限制開(kāi)關(guān)電流，以降低電感額定電流的要求，同時(shí)降低輸出紋波和所需電容。 / p>

ADP3000由James Ashe在加利福尼亞州圣克拉拉的ADI公司設(shè)計(jì)。

¹ PFM使用恒定導(dǎo)通時(shí)間脈沖，但根據(jù)負(fù)載和輸入電壓改變其頻率。這會(huì)對(duì)其他系統(tǒng)頻率產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的干擾，例如系統(tǒng)時(shí)鐘，電話中的IF等。頻率從幾百赫茲開(kāi)始，將穿過(guò)整個(gè)音頻范圍;它產(chǎn)生的問(wèn)題是PFM技術(shù)在包含某種音頻的任何東西中都不被廣泛接受的另一個(gè)原因。 PWM使用固定頻率但改變脈沖寬度;因此，它的噪聲更容易濾除。

² 開(kāi)關(guān)脈沖包含尖峰，上升時(shí)間為20 ns至40 ns;這些產(chǎn)生大部分EMI問(wèn)題。

³ 輸出紋波是開(kāi)關(guān)峰值電流×ESR（輸出電容的等效串聯(lián)電阻）的函數(shù)。 ADP3000通過(guò)限制峰值電流[I _LIM ]和使用具有低ESR的電容（如Sony OS-COM（1.5mΩ）]來(lái)降低紋波。推薦用于標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的鉭電容器（也缺少限流功能）的ESR約為100mΩ。

⁴ 振蕩器以400êkHz恒定運(yùn)行，但是門控電路允許所需的脈沖數(shù)通過(guò)，這是輸出端所見(jiàn)頻率的原因。