利用超低电流、脉冲频率调制(PFM) DC-DC转换器降低

Reference	Values	Description	Manufacturer
C2	470μF 25V	CEL 470μF, 25V, +105°C, 10mm x 10mm SMD	UUD1E471MNL1GS (Nichicon?)
C10	180pF	CS 180p C COG, 50V 0603/1	GRM39 COG 181 J 50 PT (Murata?)
C1, C4, C7	100nF 16V	#CSMD 100nF K X7R 16V 0603/1	GRM39X7R104K16PT (Murata)
C5, C8	100μF 16V 0.1Ω	CEL TAN 100μF ±20% E 16V 0.1Ω	T495D107K016ATE100 (Kemet?)
C6	100pF	CS 100p C COG 50V 0603/1	GRM39 COG 101 J 50 PT (Murata)
C3	1nF 50V	#CS 1n M X7R 50V 0603/1	GRM39 COG 271 J 50 PT (Murata)
C9	150pF	CS 150p C COG 50V 0603/1	GRM39 COG 151 J 50 PT (Mutata)
D1	MBRS230LT3G	D Schottky 2A, 30V SMB	MBRS230LT3G (ON Semiconductor?)
D2	MBRA160T3G	D Schottky 1A, 60V SMA	MBRA160T3G (ON Semiconductor)
L1	22μH 1.2A 0.19Ω	L SMD 22μH, 1.2A, 0.19Ω	SRR0604-220ML (Bourns?)
M1	IRFR120	Q IRFR120 DPAK 8.4A, 100V, 0.270Ω, NMOS	IRFR120 (Int.Rectifier.)
R1, R6	680Ω	RS 680R J 1/16W 0603/1	RK73B 1J T TD 680 J (KOA Speer?)
R9, R2	100kΩ	#RS 100K F 1/16W 0603/1	RK73H 1J T TD 1003 F (KOA Speer?)
R3	10Ω	#RS 10R J 1/16W 0603/1	RK73B 1J T TD 100 J (KOA Speer)
R4	4.7kΩ	#RS 4K7 J 1/16W 0603/1	RK73H 1J T TD 4701 J (KOA Speer)
R5	390kΩ	#RS 390K F 1/16W 0603/1	RK73H 1J T TD 3903 F (KOA Speer)
R7	0.047Ω	RS R047 J 1206 /1	SR73 2B T TD R047 J (KOA Speer)
R10	270kΩ	RS 270K F 0603 /1	RK73H 1J T TD 2703 F (KOA Speer)
R11	820kΩ	RS 820K F 0603 /1	RK73H 1J T TD 8203 F (KOA Speer)
R8	100Ω	#R SMD 100R -J 1206/1	RK73B 2B T TD 101 J (KOA Speer)
T1	EP10 3F3	T SMD EP10 3F3 NUCTOR	CSHS-EP10-1S-8P-T? (Ferroxcube?-Nuctor)
U1	MAX1771	DC-DC controller	Maxim Integrated Products
U2	TLV431A	U TLV431A V.REF 1.25V SOT23-5	TLV431ACDBVR (Texas Instruments?)
U3	SFH6106-2	#U SFH6106-2 OPTO 63-125%, 5.3kV SMD-4	SFH6106-2 (Vishay?)

输出分压器(由电阻R5和R11组成)的电流损耗固定为7μA。因此，基准输入所需要的0.5μA电流以及温漂不会明显影响输出电压。此外，较低的输入电容使得分压器输出端测得的电压不会受相关延迟的影响。后一因素不再需要利用电容分压器来降低精密基准的输入电容。光电耦合器中，光电晶体管吸收60μA (|IFB| 60nA)的电流，该电流转换成小于230μA (CTR ~26%)的LED电流。

完全控制

构建PFM控制器时，可采用MAX1771 BiCMOS升压型开关电源控制器(U1)提供所需的时序。MAX1771相对于之前的跳脉冲方案具有很大改善：开关频率达300kHz，减小了所需电感的尺寸；限流型PFM控制方式在很宽的负载电流范围内保证高达90%的效率；最大电源电流仅为110μA。除了这些优势外，MAX1771在非隔离应用中的主要优势有：在30mA至2A的负载电流范围内，效率可达90%；最大输出功率为24W；输入电压范围为2V至16.5V。

电压控制环路的电阻应尽可能选择最大值。这一方案可平衡电流损耗和环路稳定性指标，所以，通过分压电阻的电流应小于7μA。由于滤波电容并非理想电容，该电流应该包括电容的漏电流。该设计中，C5和C8滤波电容的漏电流小于20μA。如果要求更低的漏电流，可以将这些电容换成具有以下规格的陶瓷电容：100μF、6.3V、X5R，尺寸为1206 (Kemet C1206C107M9PAC)。使用陶瓷电容可将电容漏电流降至几个微安以内。值得注意的是，陶瓷电容的价格是钽电容的3倍，因此提高了系统的成本。

图3所示PFM DC-DC转换器的原型电路仅消耗0.24mA的静态电流。电路板尺寸小于50mm x 30mm，输入电压范围为10V至15V (标称值为12V)时，可提供3.6W的输出功率，工作于300kHz开关频率。提供稳定的3.6V输出电压时，该转换器可支持最大1A的连续负载电流。该转换器采用反激结构(降压)，带有电压和电流反馈控制，实现了转换器输出与输入之间的电气隔离。


详细图片(PDF, 4.59MB)
图3. 适合无线应用的DC-DC PFM转换器原型电路，顶视图。

该原型电路适合各种非连续数据传输的无线应用。模块的峰值电流达到3A，最大平均电流为1A。为降低电流峰值并避免影响无线通信时的性能，采用了参考文献1和3中介绍的技术。此外，原则上建议设计人员采用具有低等效串联电阻的大电容。

评估设计性能

为验证电源性能，我们测量了以下参数：输入电压VIN、输入电流IIN、标称输出电压VOUT、负载电流损耗IOUT和电源效率。表3和表4所示为测量结果，包括共模输入滤波器的损耗和保护电路的损耗。另外，值得注意的是，电源在低功率下的效率低于较重负载