采用SOT23封装的新型降压和升压调节器

本文以美国国家半导体公司小尺寸SOT23封装的开关调节器为例，介绍一些新型升压、降压调节器电路设计以及各自的特点，并以应用实例说明工程师该如何利用这些器件来进行设计。

大多低成本应用都利用线性调节器进行电压转换，而以微型SOT23封装的新型开关调节器提供了另外一种完整的紧凑型解决方案，并具有很高的效率。新型调节器能达到很高的开关频率，因此可以采用很小的外部元件，成本也非常低。

图1：采用LM2733驱动串联白光LED。

升压解决方案

升压拓扑结构的调节器需要开关一个低端(low side)晶体管，这意味着开关元件的位置在开关管脚和接地管脚之间。采用这种组合不仅能实现升压拓扑结构，而且还能实现单端初级电感转换器(SEPIC)拓扑结构、回扫拓扑结构和负降压拓扑结构。SEPIC拓扑结构提供了利用更小或更大的输入电压来稳定某个电压的可能性，但其代价是：不但效率低于经典的升压拓扑，而且还由于增加了额外的电容和电感而增加了材料成本。回扫拓扑结构提供了与SEPIC相同的降压和升压功能，但是它需要的不是两个电感，而是一个变压器。所有这些拓扑结构能否用一个特定的低端开关设置并稳定工作，在很大程度上取决于电压和电流的大小以及内部或外部补偿电路。

美国国家半导体公司提供两个版本的LM2733器件，一个版本工作于1500kHz的开关频率，另一个采用500kHz振荡器速率。LM2733的一个典型用途是为多达10个白光LED供电，应用于显示屏的背光照明，图1为这种应用的电路图。当很多LED需要相同亮度时，可以将所有LED串联。这样的串联驱动方法保证了通过每个LED的电流相同，一般来说这也意味着每个LED的亮度相同。当所有LED串联时，它们的正向电压会叠加起来，因此所用LED越多，所需要的驱动电压就越高。由于多数系统中不提供这样高的电压，因此常用的5V或3.3V需要被提升到所需的高电压才能驱动这些串联LED。美国国家半导体公司的 LM2733能提供高达40V的输出电压，当使用白光LED时，可以串联至少9个LED。流过LED的电流大小是由电阻器 R1设置的。

降压解决方案

图2：负升压电路拓扑结构。

升压拓扑结构的调节器需要开关一个位于输入电压和开关管脚之间的高端(high side)晶体管。高端调节器是相对前面讨论过的低端调节器而言，高端调节器用于降压拓扑结构。其它拓扑结构包括降压-升压拓扑结构，也称为反相拓扑结构。这种拓扑结构只需要与降压拓扑结构相同数量的外部元件，但可以把正电压转换成负电压。在实际的电路设计中，负电压的应用通常并不常见。

另一种可实现的拓扑结构就是负升压拓扑结构。它可以把负电压转换成更高的负电压，图2显示了这种电路的原理图。对这种电路的分析可能容易让人产生混肴，注意到以下两点有助于理解这些不常用的拓扑结构：首先，不论gnd管脚是处于绝对负电压还是正电压，反馈管脚的电压将总是保持其额定值高于gnd管脚(在大多数情况下，反馈管脚相对于地的电压为1.2V)；第二点是Vin管脚相对于-Vin节点和调节器的gnd管脚实际上处于正电压(gnd管脚是负的输出电压)。

图3：反相拓扑结构的应用实例。

对于较高功率的器件如果采用像SOT23这种小封装时将遇到两个问题：第一个是实际的裸片尺寸问题，第二个是封装的散热问题。SOT23-6并不是一种热阻非常低的封装，该封装从芯片的管脚焊盘到外部环境的典型热阻是265K/W。如果这种器件工作于室温，那么它能实现正常散热的功耗大约是380mW。然而值得注意的是，多数应用需要工作在远高于室温的温度下，因此能达到的最大功耗将比380mW低很多，80℃的环境温度所允许的最大功耗降至大约170mW。

在使用这类封装时，解决温度问题只有一个办法，即降低功耗。国家半导体公司的新型功率VIP(PVIP)工艺是一种专门针对电源管理的工艺，具有非常低的热阻，因此芯片设计工程师能提高电流和电压，或缩小裸片尺寸而同时保持相同性能。

本文讨论的反相拓扑结构的降压调节器的一个独特之处是输入电压的绝对值可能低于或高于输出电压的绝对值。因此，对于需要降压和升压、并且可改变负载极性的应用来说，都可以使用反相拓扑结构，而不是SEPIC拓扑结构。这样可以节省SEPIC方案中电感器占用的额外空间和成本。

图4：一种典型SOT23-6降压电路评估板。

这种反相拓扑结构的一个典型应用也是利用宽输入电压范围的来驱动LED，图3所示为这样的设计实例。从图中可以看出，调节器的参考电压是输出电压而不是接地电压。图3中的负载是由两个白光LED串联构成，它们的正向电压之和大约为8V。考虑到温度和生产因素的影响，这两个LED的正向电压之和可能在7V和8V之间。

图4所示为一种典型的SOT23-6降压电路评估板，尺寸仅为2.1×1.9cm2。为了便于比较，我们假定一个典型降压电路的要求为：输入电压12V，输出电压5V，电流为500mA。这种开关电路的典型效率是80%。如果采用LDO来实现相同任务，则由于功耗的原因需要一个较大的封装，例如TO263或TO220封装。在我们这个例子中，功耗是(12V-5V)×0.5A =3.5W，这意味着小尺寸封装芯片不能用于这种设计任务。带输入和输出电容的TO263封装的LDO占用的电路板空间大约是2×1.7cm²。

作者：Frederik Dostal

电源管理应用工程师

美国国家半导体欧洲公司