今天的绿色POL DC/DC转换器设计需要高效率和低IQ

电源产品部产品市场经理

Tony Armstrong

背景

大多数嵌入式系统都是由 48V 背板供电的。这个电压通常要降至较低的 24V、12V 或 5V 的中间总线电压，以向系统内的电路板支架供电。然而，这些电路板上的大多数分支电路或集成电路要求在低于 1V 至 3.3V 的电压范围内工作，电流范围为数十毫安至数十安培。因此，需要负载点 (POL) DC/DC 转换器将 24V、12V 或 5V 电压轨降至这些分支电路或集成电路所需的电压和电流值。

甚至由电池供电的便携式产品制造商也面临着日益增大的压力，他们要将更多功能塞进外形尺寸已经受限的产品中，同时还要获得更长的电池工作时间。例如，大多数便携式媒体播放器 (PMP) 都有视频播放器和 MP3 播放器功能。因此，内部电子电路需要多种具有不同功率级的低压输出轨。很明显，导致这一结果的主要原因是，大多数大规模数字集成电路的工作电压是 1.2V 或更低，而同时存储器和 I/O 电压需求可能在 2.2V 至 3.3V 之间。这样，直接对锂离子电池使用多个单 POL DC/DC 转换器越来越不实用了，因此系统设计师正在采用更加集成化的方法。

与传统线性稳压器相比，同步降压型转换器在电池工作时间上有极大改进，因为它提高了转换效率。这类转换器一般具有 95% 的转换效率，而且几乎无需任何散热措施。然而，这种高效率是以占用更多电路板空间为代价的，因为每个通道都要增加一个电感器，因此保持最小总体解决方案占板面积极其重要。通过将多个通道整合到一个同步降压型解决方案中，这些通道就可以全部用一个输入电容器工作，从而可保持解决方案占板面积最小。

为什么需要绿色电源？

最近，“绿色环保”概念广为流行，在新闻媒体中有大量报道。结果，大多数工业化国家普遍接受了需要节约能源这一观点。这是因为，随着这些国家人口的增加，他们对能源的需求也增加了，他们需要给新房子的加热/冷却系统、照明和家用电器供电。不仅建立新的发电设施耗费大量金钱，电能产生后向用户供电的成本也很高。据观察，与建立新的发电设施相比，将大多数家用电器的电流能耗降低 15% 至 20% 是更经济的做法。

由于建立新的发电设施成本很高，因此很多国家已经采用了所谓的“绿色政策”，以此鼓励制造商在最终产品中纳入节能技术。在这种政策激励下，很多电源管理产品供应商在提高产品电源转换效率和降低产品在备用模式时的功耗方面取得了很大进步。

就用于节能型 DC/DC 转换器的电源管理集成电路而言，必须具有两个主要特点。首先，必须在宽负载电流范围内具有非常高的转换效率。其次，在备用和停机模式时必须有低静态电流。

就很多嵌入式系统而言，在电压日益降低的情况下不断要求提高电流这种需求继续推动着电源系统的发展。在这一领域取得的很多进步都可以追溯到电源转换技术领域取得的成果，尤其是电源集成电路和电源半导体的改进。总的来说，这些组件允许以对电源转换效率影响最小的方式提高开关频率，为提高电源性能做出了贡献。能够做到提高开关频率并对效率影响最小，靠的是降低开关和接通状态损耗以及容许高效率地去除热量。不过，向较低输出电压迁移给这些因素带来了更大的压力，这又进而导致了极大的设计难题。

多相工作被认为是用于转换拓扑的一般性术语，在这些拓扑中，用两个或更多转换器处理单个输入，转换器相互同步但以不同的锁定相位工作。这种方法减小了输入纹波电流、输出纹波电压和总的 RFI 特征，同时在输出电压完全稳定的情况下允许单个大电流输出或多个较低电流输出。就用一个单片器件提高输出电流能力而言，它还允许使用较小的外部组件，因为多个较小的 MOSFET 可以非常容易地“在芯片上”制造出来。这还带来了改善热量管理的附加好处。

尽管一般情况下降压型转换器应用更加普遍，但是多相拓扑可以配置成降压、升压甚至是正激式。今天，从 12V 输入至 1.xV 输出的转换效率高达 95% 是寻常之事。此外, 通过运用一种脉冲跳跃、脉宽调制 (PWM) 技术，还可以轻松地在横跨多个数量级的负载电流范围内实现高效运作。 这还有一个附带的好处，即向负载提供小电流时能够获得低静态电流。通常情况下静态电流在几十 uA 范围内。

用于嵌入式系统的方案与用于电池供电的手持式设备的方案没有太大不同，可能的例外是，很多便携式应用对组件高度有严格限制。这可能成为电源转换器的难题，因为电感器和滤波电容器通常属于最高的组件。然而，多相架构非常适用于这类应用，组件高度甚至降低到仅为 1.5mm。

不同模拟集成电路供应商提供的很多单片多相转换器与可比较的单相转换器相比，尺寸会更小，高度更低，能以更高效率和更低输出纹波提供超过 10W 的输出功率。

例如，考虑单片、同步、高开关频率 (每相高达 2MHz)、4 相电源集成电路架构。这类产品的一个例子是 LTC3425 ，如下面图 1 所示。它允许使用多个体积小、成本低的电感器，而不是单个又大、又笨重的电感器，而且与同类单相电路相比，需要少得多的输出滤波器电容，因为有效的输出纹波频率高达 8MHz。此外，所需的全部功率 MOSFET 都在芯片内。这非常适用于需要使用扁平组件以及空间受限的电路板和便携式设备。

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图 1：LTC3425 将两节镍镉/镍氢金属电池电压提高到 3.3V。这个设计能以高达 94% 的效率提供超过 2A 的负载电流，同时以每相 1MHz 的频率进行开关操作 (输出纹波频率为 4MHz)。

另外，用多相方法设计转换器与设计传统单相转换器没有不同。所有电源开关都在内部，因此 4 相工作是透明的。所有 4 相的限流值和开关频率都可以非常容易地用单个电阻编程，就像在单相设计中一样。类似地，输出电压设置和环路补偿与其它熟悉的 DC/DC 转换器设计也没有不同。

这种类型 POL 转换器的同步 4 相架构在宽负载范围内实现了高效率，同时允许使用扁平的组件。最后，由于输出纹波电流以 4:1 的比例降低，因此用小尺寸和较低成本的陶瓷电容器就可实现非常低的输出电压纹波。

总结

由于在给定机箱内空间有限和冷却等多种限制因素以及需要正确的电源跟踪以提高系统可靠性，因此几乎任何系统的 POL DC/DC 转换器设计师都面临着很多难题。尽管必须克服大量限制因素，设计师们还是有路可走的，不同模拟集成电路制造商最近推出的很多稳压器提供了简单、紧凑、高效率和功能丰富的解决方案。