为特定应用选用合适的稳压器：选择稳压器控制模式

作者：Maxim Integrated 技术团队主要成员Don Corey

引言

对于负责复杂电路板各个方面的工程师，针对特定的负载选用最合适的稳压器，是一项令人困扰的工作。有多家供应商都提供非常好的稳压器解决方案。但这并不能保证，针对你特定的应用，都有合适的稳压器适合你。例如，为汽车应用设计的电源芯片，不一定都适合用在消费产品上。芯片处理能力的增强，电池可用时间的缩短，给便携式产品的电源设计带来了独特的挑战。当采用开关电源供电时，带有敏感射频电路和低噪声模拟前端(AFE)的设备，给设计工程师带来更大的挑战。超声设备需要处理的是从人体反射的微弱信号。为了控制开关电源谐波（带来的干扰），开关电源需要同步在一个外部频率。在较大电流应用中，效率往往是电路最重要的指标。最后，工程师需要针对具体应用，确定电源的关键指标，然后选取合适的稳压器。

该介绍电源稳压器的系列文章由三部分组成。本文为第一部分。在第一部分，我们首先简单回顾负载率和负载特性的重要性。然后重点讨论稳压器的控制方法、类型、关键参数 和 补偿方法。最后我们简要介绍内部FET和与外部FET。在接下来的第二部分，我们将介绍除电压模式(VM)和电流模式(CM)之外的其它控制方式，包括恒定导通时间控制、磁滞控制 和脉冲频率调制(PFM)控制等。我们还会介绍如何针对具体的应用选取适合的稳压器。在最后的第三部分，我们将介绍如何针对一个具体的应用， 选择合适的稳压器并进行电路仿真。

细节决定成败

在为便携式产品选择稳压器时，需要考虑负载率和负载特性这些重要的细节问题。负载率是指：用电设备工作的时间和待机（或消耗很小电流）的时间的比值。负载特性是指：正常工作时，负载电流是恒定的，还是在最小电流和最大满载电流之间变化？

工程师为什么需要考虑负载率和负载特性？让我们进一步讨论：设备的负载特性在我们选取稳压器的静态电流(IQ)时会很有用。比如，如果稳压器大部分时间都满负载工作，那么选用超低静态电流IQ的稳压器意义不大。在负载电流远远高于稳压器的静态电流时，完全没有必要选取超低静态电流的稳压器。如果（设备的）负载率低，并且在待机或休眠时稳压器允许被关断，选取低关断电流的稳压器比较重要。如果（设备的）负载率低，但稳压器需要一直供电，那么选取具有低静态电流IQ的稳压器比较重要。另外，正常工作时，如果稳压器大部分时间为轻载，那么稳压器的超低工作电流对于优化效率及延长电池工作时间非常重要。

选择控制方式

稳压器控制方式的选择很重要。控制器有几种不同的控制方式：需要优化轻载效率时，一般采用滞回或PFM控制方式。输出噪声要求较低时，需要采用脉宽调制(PWM)控制方式。PWM类型的稳压器开关频率固定，噪声比较容易被滤除。而PFM类型的稳压器在轻载时开关频率较低，负载电流增大时开关频率增高。

有些稳压器提供两种工作模式，工作模式可以在PWM和SKIP（跳脉冲）模式之间切换。在轻载时，SKIP模式相对于PWM模式，电源的整体效率得到改善。图1为开关稳压器MAX15035在SKIP模式下，典型的效率曲线。值得一提的是，MAX15035的典型工作电流为1.53mA。在便携式应用中，如果负载率较低，负载电流又接近额定电流，则该开关稳压器是比较理想的选择。前提是：在待机时，稳压器允许被关断。如果在待机和休眠时，稳压器要保持工作状态，就需要采用低工作电流的降压稳压器。MAX1556降压稳压器在没有开关切换时，典型电流只有16uA。如果稳压器需要在系统开启电源后一直处于工作状态，MAX1556将是延长电池工作时间的更好选择。


图1. MAX15053开关稳压器(左)与MAX1556降压型稳压器(右)的效率比较。数据表明，MAX1556更适合待机模式下一直工作的电源。

待机电流对于便携式应用非常重要。供应商网站上提供的参数搜索工具可以简化稳压器的选型(图2)。通过选择几项关键参数，比如内部开关、最小输入电压、最大输入电压以及ICC (mA)，可以相对容易地在多个器件中，快速选择出具体应用需要的稳压器。在下面的选型工具中，我们设定了“最小输入电压”“最大输入电压”，选中了“内部开关”选项。设计工程师可拖动“ICC (mA)”滑块到最下面。现在，选型工具帮我们筛选出最合适的两款器件。


图2. 利用参数检索工具缩小选择范围。

电流控制模式和电压控制模式

现在，我们花些时间讨论一下不同的控制结构。

PWM开关稳压器有两种控制模式：电压模式(VM)和电流模式(CM)。CM模式稳压器把流经电感的电流作为反馈环路的一部分。PWM调制器的输入信号为流经电感的电流和误差放大器输出的误差信号。图3所示为峰值CM模式稳压器的简化电路图，其中峰值电感电流以及输出电压都是受控的。流过电感的电流被检测出并送去跟Vc进行比较。Vc为误差放大器的输出。在CM控制模式下，为了避免在PWM信号占空比大于50%时产生次谐波振荡，需要对电路进行斜率补偿。


图3. 电流模式(CM)控制。

自第一款开关稳压器设计推出以来，电压控制模式已经使用了很长时间。电压控制模式只有一个电压反馈通路；通过把误差电压信号与锯齿波进行比较，得到PWM信号。图4所示为基本配置。


图4. 电压模块(VM)控制。