智能手機、平板電腦、數碼相機、導航系統、醫療設備和其 它低功耗便攜式設備常常包含多個采用不同半導體工藝制造 的集成電路。這些設備通常需要多個獨立的電源電壓，各電 源電壓一般不同于電池或外部 AC/DC電源提供的電壓。

　　圖 1 顯示了一個采用鋰離子電池供電的典型低功耗系統。電池的可用輸出范圍是 3 V到 4.2V，而IC需要 0.8 V、1.8 V、 2.5 V和 2.8 V電壓。為將電池電壓降至較低的直流電壓，一種 簡單的方法是運用低壓差調節器（LDO）。不過，當VIN遠高于 VOUT時，未輸送到負載的功率會以熱量形式損失，導致LDO 效率低下。一種常見的替代方案是采用開關轉換器，它將能 量交替存儲在電感的磁場中，然后以不同的電壓釋放給負 載。這種方案的損耗較低，是一種更好的選擇，可實現高效 率運行。本文介紹降壓型轉換器，它提供較低的輸出電壓。 升壓型轉換器將另文介紹，它提供較高的輸出電壓。內置 FET作為開關的開關轉換器稱為開關調節器，需要外部FET的 開關轉換器則稱為開關控制器。多數低功耗系統同時運用 LDO和開關轉換器來實現成本和性能目標。

　　圖 1. 典型低功耗便攜式系統

　　降壓調節器包括 2 個開關、2 個電容和 1 個電感，如圖 2 所 示。非交疊開關驅動機制確保任一時間只有一個開關導通， 避免發生不良的電流“直通”現象。在第 1 階段，開關B斷開， 開關A閉合。電感連接到VIN，因此電流從VIN流到負載。由于 電感兩端為正電壓，因此電流增大。在第 2 階段，開關A斷 開，開關B閉合。電感連接到地，因此電流從地流到負載。由 于電感兩端為負電壓，因此電流減小，電感中存儲的能量釋 放到負載中。

　　圖 2. 降壓轉換器拓撲結構和工作波形

　　注意，開關調節器既可以連續工作，也可以斷續工作。連續 導通以連續導通模式（CCM）工作時，電感電流不會降至 0；以 斷續導通模式（DCM）工作時，電感電流可以降至 0。低功耗降 壓轉換器很少在斷續導通模式下工作。設計的，電流紋波（如 圖 2中的ΔI 所示）通常為標稱負載電流的 20%到 50%。

　　在圖 3 中，開關 A 和開關 B 分別利用 PFET 和 NFET 開關實 現，構成一個同步降壓調節器。“同步”一詞表示將一個 FET 用作低端開關。用肖特基二極管代替低端開關的降壓調 節器稱為“異步”（或非同步）型。處理低功率時，同步降 壓調節器更有效，因為 FET 的壓降低于肖特基二極管。然 而，當電感電流達到 0 時，如果底部 FET 未釋放，同步轉換 器的輕載效率會降低，而且額外的控制電路會提高 IC 的復雜 性和成本。

　　圖 3. 降壓調節器集成振蕩器、PWM控制環路和開關 FET

　　目前的低功耗同步降壓調節器以脈寬調制（PWM）為主要工作 模式。PWM保持頻率不變，通過改變脈沖寬度（tON）來調整輸 出電壓。輸送的平均功率與占空比D成正比，因此這是一種向 負載提高功率的有效方式。

　　FET 開關由脈寬控制器控制，后者響應負載變化，利用控制 環路中的電壓或電流反饋來調節輸出電壓。低功耗降壓轉換 器的工作頻率范圍一般是 1 MHz 到 6 MHz。開關頻率較高 時，所用的電感可以更小，但開關頻率每增加一倍，效率就 會降低大約 2%。

　　在輕載下，PWM 工作模式并不總是能夠提高系統效率。以圖 形卡電源電路為例，視頻內容改變時，驅動圖形處理器的降 壓轉換器的負載電流也會改變。連續 PWM 工作模式可以處 理寬范圍的負載電流，但在輕載下，調節器所需的功率會占 去輸送給負載的總功率的較大比例，導致系統效率迅速降 低。針對便攜應用，降壓調節器集成了其它省電技術，如脈 沖頻率調制（PFM）、脈沖跳躍或這兩者的結合等。

　　ADI公司將高效率輕載工作模式定義為“省電模式”（PSM）。 進入省電模式時，PWM調節電平會產生偏移，導致輸出電壓 上升，直至它達到比PWM調節電平高約 1.5%的電平，此時 PWM工作模式關閉，兩個功率開關均斷開，器件進入空閑模 式。COUT可以放電，直到VOUT降至PWM調節電壓。然后，器 件驅動電感，導致VOUT再次上升到閾值上限。只要負載電流 低于省電模式電流閾值，此過程就會重復進行。

　　ADP2138 是一款緊湊型 800 mA、3 MHz、降壓 DC-DC 轉換 器。圖 4所示為典型應用電路。圖 5顯示了強制 PWM工作模 式下和自動 PWM/PSM 工作模式下的效率改善情況。由于頻 率存在變化，PSM 干擾可能難以濾除，因此許多降壓調節器 提供一個 MODE 引腳（如圖 4 所示），用戶可以通過該引腳 強制器件以連續 PWM 模式工作，或者允許器件以自動 PWM/PSM 模式工作。MODE 引腳既可以通過硬連線來設置 任一工作模式，也可以根據需要而動態切換，以達到省電目 的。

　　圖 4. ADP2138/ADP2139典型應用電路

　　圖 5. ADP2138的效率：（a） 連續 PWM模式；（b） PSM模式

　　降壓調節器提高效率

　　電池的續航時間是新型便攜式設備設計高度關注的一個特 性。提高系統效率可以延長電池工作時間，降低更換或充電的頻度。例如，一個鋰離子充電電池可以使用ADP125 LDO以 0.8 V電壓驅動一個 500 mA負載，如圖 6 所示。該LDO的 效率只有 19% （VOUT/VIN × 100% = 0.8/4.2 × 100%）。LDO無法 存儲未使用的能量，因此剩余的 81%的功率（1.7 W）只能以熱 量形式在LDO內部耗散掉，這可能會導致手持式設備的溫度 迅速上升。如果使用ADP2138 開關調節器，在 4.2 V輸入和 0.8 V輸出下，工作效率將是 82%，比前一方案的效率高出 4 倍多，便攜式設備的溫度升幅將大大減小。這些系統效率的 大幅改善使得開關調節器大量運用于便攜式設備。

　　降壓轉換器關鍵規格和定義

　　輸入電壓范圍：降壓轉換器的輸入電壓范圍決定了最低的可 用輸入電源電壓。規格可能提供很寬的輸入電壓范圍，但VIN 必須高于VOUT才能實現高效率工作。例如，要獲得穩定的 3.3 V輸出電壓，輸入電壓必須高于 3.8 V。

　　地電流或靜態電流：IQ是未輸送給負載的直流偏置電流。器 件的IQ越低，則效率越高。然而，IQ可以針對許多條件進行規 定，包括關斷、零負載、PFM工作模式或PWM工作模式。因 此，為了確定某個應用的最佳降壓調節器，最好查看特定工 作電壓和負載電流下的實際工作效率數據。

　　關斷電流： 這是使能引腳禁用時器件消耗的輸入電流，對低 功耗降壓調節器來說通常遠低于 1µA。這一指標對于便攜式 設備處于睡眠模式時電池能否具有長待機時間很重要。

　　輸出電壓精度： ADI 公司的降壓轉換器具有很高的輸出電壓 精度，固定輸出器件在工廠制造時就被精確調整到±2%之內 （25°C）。輸出電壓精度在工作溫度、輸入電壓和負載電流 范圍條件下加以規定，最差情況下的不精確性規定為±x%。

　　線路調整率： 線路調整率是指額定負載下輸出電壓隨輸入電 壓變化而發生的變化率。

　　負載調整率： 負載調整率是指輸出電壓隨輸出電流變化而發 生的變化率。對于緩慢變化的負載電流，大多數降壓調節器 都能保持輸出電壓基本上恒定不變。

　　負載瞬變：如果負載電流從較低水平快速變化到較高水平， 導致工作模式在 PFM 與 PWM 之間切換，或者從 PWM 切換 到 PFM，就可能產生瞬態誤差。并非所有數據手冊都會規定 負載瞬變，但大多數數據手冊都會提供不同工作條件下的負 載瞬態響應曲線。

　　限流：ADP2138 等降壓調節器內置保護電路，限制流經 PFET 開關和同步整流器的正向電流。正電流控制限制可從輸 入端流向輸出端的電流量。負電流限值防止電感電流反向并 流出負載。

　　軟啟動：內部軟啟動功能對于降壓調節器非常重要，它在啟 動時控制輸出電壓緩升，從而限制浪涌電流。這樣，當電池 或高阻抗電源連接到轉換器輸入端時，可以防止輸入電壓下 降。器件使能后，內部電路開始上電周期。

　　啟動時間是指使能信號的上升沿至VOUT達到其標 稱值的 90%的時間。這個測試通常是在施加VIN、使能引腳從 斷開切換到接通的條件下進行。在使能引腳連接到VIN的情況 下，當VIN從關斷切換到開啟時，啟動時間可能會大幅增加， 因為控制環路需要一定的穩定時間。在調節器需要頻繁啟動 和關閉以節省功耗的便攜式系統中，調節器的啟動時間是一 個重要的考慮因素。

　　熱關斷（TSD）： 當結點溫度超過規定的限值時，熱關斷電路就 會關閉調節器。極端的結溫可能由工作電流高、電路板冷卻 不佳或環境溫度高等原因引起。保護電路包括一定的遲滯，防止器件在芯片溫度降至預設限值以下之前返回正常工作狀 態。

　　100%占空比工作： 隨著VIN下降或ILOAD上升，降壓調節器會 達到一個限值：即使PFET開關以 100%占空比導通，VOUT仍 低于預期的輸出電壓。此時，ADP2138 平滑過渡到可使PFET 開關保持 100%占空比導通的模式。當輸入條件改變時，器件 立即重新啟動PWM調節，VOUT不會過沖。

　　放電開關： 在某些系統中，如果負載非常小，降壓調節器的 輸出可能會在系統進入睡眠模式后的一定時間內仍然保持較 高水平。然而，如果系統在輸出電壓放電之前啟動上電序 列，系統可能會發生閂鎖，或者導致器件受損。當使能引腳 變為低電平或器件進入欠壓閉鎖/熱關斷狀態時，ADP2139 降 壓調節器通過集成的開關電阻（典型值 100 Ω）給輸出放電。

　　欠壓閉鎖： 欠壓閉鎖（UVLO）可以確保只有在系統輸入電壓高 于規定閾值時才向負載輸出電壓。UVLO 很重要，因為它只 在輸入電壓達到或超過器件穩定工作要求的電壓時才讓器件上電。

　　結束語

　　低功耗降壓調節器使開關DC-DC轉換器設計不再神秘。ADI 公司提供一系列高集成度、堅固耐用、易于使用、高性價比 的降壓調節器，只需極少的外部元件就能實現高工作效率。 系統設計師可以使用數據手冊應用部分提供的設計計算，或者使用 ADIsimPower™ 設計工具。欲查看有關ADI公司降壓 調節器的選型指南、數據手冊和應用筆記，請訪問：www.analog.com/en/power-management/products/index.html. 欲了解更多信息，請聯系ADI公司應用工程師。

　　參考文獻

　　（Information on all ADI components can be found at www.analog.com.）

　　Lenk， John D. Simplified Design of Switching Power Supplies. Elsevier. 1996. ISBN 13： 978-0-7506-9821-4.

　　Marasco， K. How to Apply Low-Dropout Regulators Successfully.？ Analog Dialogue. Volume 43， Number 3. 2009. pp. 14-17.

　　附錄

　　3 MHz同步降壓 DC-DC轉換器驅動 800 mA負載

　　The ADP2138 和ADP2139 降壓DC-DC轉換器針對無線手機、個人 媒體播放器、數碼相機和其它便攜式設備應用進行了優化。 二者既可以在強制脈沖寬度（PWM）模式下工作，以獲得最低 的紋波，也可以在PWM模式與省電模式之間自動切換，以便 在輕負載下獲得最高效率。2.3 V至 5.5 V輸入范圍支持使用標 準電源，包括鋰電池、堿性電池和鎳氫電池。提供 0.8 V至 3.3 V范圍內的多個固定輸出電壓選項，負載能力為 800 mA， 精度為 2%。內置功率開關和同步整流器可提高效率并減少外 置器件數量。ADP2139（如圖A所示）另外增加了一個內部放 電開關。ADP2138和ADP2139采用緊湊型 1 mm × 1.5 mm、6引腳WLCSP封裝，額定溫度范圍為–40°C至+125°C，千片訂 量報價為 0.90美元/片。 。

　　圖 A. ADP2139功能框圖

　　作者簡介

　　Ken Marasco ［ken.marasco@analog.com］ 是ADI 公司系統應用經理，負責便攜式電源產品的技 術支持，在ADI公司便攜式應用小組已經工作 了三年。他畢業于NYIT，持有應用物理專業 學士學位，在系統和元件設計方面擁有 35 年 的豐富經驗。