电源工程师设计札记（一）：轻松完成电源设计

它将能量交替存储在电感的磁场中，然后以不同的电压释放给负载。这种方案的损耗较低，是一种更好的选择，可实现高效率运行。本文介绍降压型转换器，它提供较低的输出电压。升压型转换器将另文介绍，它提供较高的输出电压。内置 FET作为开关的开关转换器称为开关调节器，需要外部FET的开关转换器则称为开关控制器。多数低功耗系统同时运用 LDO和开关转换器来实现成本和性能目标。

　　图 1. 典型低功耗便携式系统

降压调节器包括 2 个开关、2 个电容和 1 个电感，如图 2 所示。非交叠开关驱动机制确保任一时间只有一个开关导通，避免发生不良的电流“直通”现象。在第 1 阶段，开关B断开，开关A闭合。电感连接到VIN，因此电流从VIN流到负载。由于电感两端为正电压，因此电流增大。在第 2 阶段，开关A断开，开关B闭合。电感连接到地，因此电流从地流到负载。由于电感两端为负电压，因此电流减小，电感中存储的能量释放到负载中。

　　图 2. 降压转换器拓扑结构和工作波形

注意，开关调节器既可以连续工作，也可以断续工作。连续导通以连续导通模式（CCM）工作时，电感电流不会降至 0；以断续导通模式（DCM）工作时，电感电流可以降至 0。低功耗降压转换器很少在断续导通模式下工作。设计的，电流纹波（如图 2中的ΔI 所示）通常为标称负载电流的 20%到 50%。

在图 3 中，开关 A 和开关 B 分别利用 PFET 和 NFET 开关实现，构成一个同步降压调节器。“同步”一词表示将一个 FET 用作低端开关。用肖特基二极管代替低端开关的降压调节器称为“异步”（或非同步）型。处理低功率时，同步降压调节器更有效，因为 FET 的压降低于肖特基二极管。然而，当电感电流达到 0 时，如果底部 FET 未释放，同步转换器的轻载效率会降低，而且额外的控制电路会提高 IC 的复杂性和成本。

　　图 3. 降压调节器集成振荡器、PWM控制环路和开关 FET

目前的低功耗同步降压调节器以脉宽调制（PWM）为主要工作模式。PWM保持频率不变，通过改变脉冲宽度（tON）来调整输出电压。输送的平均功率与占空比D成正比，因此这是一种向负载提高功率的有效方式。

FET 开关由脉宽控制器控制，后者响应负载变化，利用控制环路中的电压或电流反馈来调节输出电压。低功耗降压转换器的工作频率范围一般是 1 MHz 到 6 MHz。开关频率较高时，所用的电感可以更小，但开关频率每增加一倍，效率就会降低大约 2%。

在轻载下，PWM 工作模式并不总是能够提高系统效率。以图形卡电源电路为例，视频内容改变时，驱动图形处理器的降压转换器的负载电流也会改变。连续 PWM 工作模式可以处理宽范围的负载电流，但在轻载下，调节器所需的功率会占去输送给负载的总功率的较大比例，导致系统效率迅速降低。针对便携应用，降压调节器集成了其它省电技术，如脉冲频率调制（PFM）、脉冲跳跃或这两者的结合等。

ADI公司将高效率轻载工作模式定义为“省电模式”（PSM）。进入省电模式时，PWM调节电平会产生偏移，导致输出电压上升，直至它达到比PWM调节电平高约 1.5%的电平，此时 PWM工作模式关闭，两个功率开关均断开，器件进入空闲模式。COUT可以放电，直到VOUT降至PWM调节电压。然后，器件驱动电感，导致VOUT再次上升到阈值上限。只要负载电流低于省电模式电流阈值，此过程就会重复进行。

ADP2138 是一款紧凑型 800 mA、3 MHz、降压 DC-DC 转换器。图 4所示为典型应用电路。图 5显示了强制 PWM工作模式下和自动 PWM/PSM 工作模式下的效率改善情况。由于频率存在变化，PSM 干扰可能难以滤除，因此许多降压调节器提供一个 MODE 引脚（如图 4 所示），用户可以通过该引脚强制器件以连续 PWM 模式工作，或者允许器件以自动 PWM/PSM 模式工作。MODE 引脚既可以通过硬连线来设置任一工作模式，也可以根据需要而动态切换，以达到省电目的。

　　图 4. ADP2138/ADP2139典型应用电路

　　图 5. ADP2138的效率：（a） 连续 PWM模式；（b） PSM模式

　降压调节器提高效率

电池的续航时间是新型便携式设备设计高度关注的一个特性。提高系统效率可以延长电池工作时间，降低更换或充电的频度。例如，一个锂离子充电电池可以使用ADP125 LDO以 0.8 V电压驱动一个 500 mA负载，如图 6 所示。该LDO的效率只有 19% （VOUT/VIN × 100% = 0.8/4.2 × 100%）。LDO无法存储未使用的能量，因此剩余的 81%的功率（1.7 W）只能以热量形式在LDO内部耗散掉，这可能会导致手持式设备的温度迅速上升。如果使用ADP2138 开关调节