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作者：Excelpoint世健 前言 在電路系統設計中，總是離不開(kāi)電源芯片的使用，林林總總的電源芯片非常多，比如傳統的線(xiàn)性穩壓器7805、低壓差線(xiàn)性穩壓器(LDO)、開(kāi)關(guān)型降壓穩壓器(Buck DCDC)等，那么它們到底有什么區別呢？Excelpoint世健的工程師Wolfe Yu在此對各種降壓型穩壓芯片的原理進(jìn)行了科普。 降壓型穩壓芯片的主要分類(lèi) 串聯(lián)線(xiàn)性穩壓電路原理 串聯(lián)線(xiàn)性穩壓電路主要思路來(lái)自于基本線(xiàn)性調整模型。在輸入直流電壓和負載之間串入一個(gè)三極管，其作用就是當輸出阻抗發(fā)生變化引起輸出電壓同步變化時(shí)，通過(guò)某種反饋形式使三極管的發(fā)射極也隨之變化，從而調整輸出電壓值，以保持輸出電壓基本穩定。由于串入的三極管是起著(zhù)電壓調整作用的，所以，這個(gè)三極管也稱(chēng)為調整管。 
圖1 LDO基本模型 基本線(xiàn)性調整管的輸出電壓，主要由穩壓管的電壓來(lái)決定，無(wú)法實(shí)現自動(dòng)調節。為了讓輸出電壓可以自由設定，從而不受穩壓管影響，一般會(huì )加入運算放大器，通過(guò)比例系數調節輸出電壓。
圖2 可調LDO模型 LDO直流輸入電壓和負載調整率、輸入電壓和負載瞬態(tài)響應、電源抑制比(PSRR)、輸出噪聲和精度在各種降壓型穩壓器中，都是最優(yōu)，對于高精度模擬前端應用場(chǎng)合十分必要。所以，產(chǎn)品應用的核心電源，都會(huì )采用高精度LDO供電。
圖3 LDO主要功耗模型 LDO也會(huì )面臨另一個(gè)問(wèn)題，效率比較低。主要是穩壓調整管所需擊穿飽和電流、運放反饋回路電流、以及輸出電壓與壓差和電流產(chǎn)生的熱能損耗等等。一般來(lái)說(shuō)，我們把輸入電流和Iin輸出電流Iout的差值，稱(chēng)為接地電流（IGND），接地電流包括靜態(tài)電流（IQ），LDO的效率公式如下。
接地電流是影響LDO效率的一個(gè)因素，但是，相對于調整管的壓降來(lái)說(shuō)，如同九牛一毛，可以忽略不計。真正影響LDO效率的是輸入輸出之間的電壓差。 一般來(lái)說(shuō)，市面上常用的串聯(lián)線(xiàn)性穩壓電路通常會(huì )采用五種常用的結構，大體分為：經(jīng)典N(xiāo)PN型結構LDO(A)、基于PNP驅動(dòng)的NPN輸出型低壓差結構LDO(B)、PNP型低壓差結構LDO(C)、P溝道低壓差LDO(D)、N溝道低壓差LDO(E)。
圖4 常見(jiàn)LDO產(chǎn)品架構 初步分析：經(jīng)典N(xiāo)PN型結構LDO，輸入輸出壓差基本要求滿(mǎn)足3V左右�；赑NP驅動(dòng)的NPN輸出型低壓差結構LDO，輸入輸出壓差需要達到1.5V。PNP型低壓差結構LDO、P溝道低壓差LDO和N溝道低壓差LDO屬于真正的低壓差LDO，P溝道低壓差LDO對于散熱要求很高，N溝道低壓差LDO相對工藝復雜。PNP型低壓差結構LDO相對簡(jiǎn)單，輸入輸出壓差基本控制在0.3V——0.6V之間。市面上，選擇C和D方案作為L(cháng)DO架構的廠(chǎng)商較多。 串聯(lián)開(kāi)關(guān)穩壓電路原理 前面我們提到，LDO有著(zhù)較大的負載調整率、輸入電壓和負載瞬態(tài)響應、電源抑制比(PSRR)、輸出噪聲和精度。但是由于效率太低，隨著(zhù)節能減排、PCBA的布局布線(xiàn)等要求，在很多高壓差的場(chǎng)合，人們不得不尋求新的替代方案。 隨著(zhù)半導體技術(shù)和磁性材料的發(fā)展，通過(guò)調整開(kāi)關(guān)管通斷、采用換能的方式，輸出相對穩定的電壓的DCDC應運而生。
圖5 Buck DCDC基本拓撲 正常工作狀態(tài)下，BUCK型DCDC主要工作在連續導通模式（CCM），這種模式下，電感器上有連續電流，這種情況也稱(chēng)為重載模式，DCDC主要是通過(guò)電感電壓伏秒平衡原理，來(lái)實(shí)現降壓功能。
圖6 Buck DCDC連續導通模式及輸出波形 從上圖來(lái)看，我們可以計算出BUCK型DCDC的輸出電壓和輸入電壓之間的關(guān)系，主要依賴(lài)于開(kāi)關(guān)管的導通時(shí)間。
對于開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，影響開(kāi)關(guān)電源功耗的因素，主要集中在開(kāi)關(guān)管MOSEFET、門(mén)極驅動(dòng)、電感磁芯損耗和線(xiàn)損上面。
圖7 Buck DCDC主要損耗因素 相對于線(xiàn)性穩壓電源來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)穩壓電源的效率可以達到90%以上，相對損耗幾乎忽略不計。所以，在很多應用場(chǎng)合，特別是較大輸出壓差和較大輸出功率的情況下，工程師幾乎統一都是采用這種Buck電源。 開(kāi)關(guān)電源Buck電路的控制方案 PWM脈沖調制技術(shù) 傳統電流模式的開(kāi)關(guān)電源，采用的方式是將采樣電流與電壓反饋環(huán)路中誤差放大器的輸出進(jìn)行比較，以生成控制MOSFET的PWM脈沖。
圖8 PWM核心控制機理 電壓模式是PWM脈沖調制一種常用的調制方式，主要采用固定頻率三角波和誤差做比較，采用三角波和誤差幅值調整占空比。
圖9 電壓調整模式架構 峰值電流模式是PWM脈沖調制的另一種常用的調制方式，占空比主要由電流環(huán)決定，電壓環(huán)決定電流信號參考。
圖10 峰值電流模式架構 COT調制技術(shù) PWM頻率恒定，其在整個(gè)負載頻率范圍內的紋波電壓和輸出噪聲都是非常低的，每個(gè)開(kāi)關(guān)管在切換的時(shí)候都會(huì )產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗，特別是其在輕負載時(shí)，還保持較高的開(kāi)關(guān)頻率，開(kāi)關(guān)損耗比重加大，效率會(huì )降低。
圖11 DCM模式電感電流環(huán)示意 我們知道，當負載電流非常小時(shí)，或者說(shuō)電感器的值小于臨界電感時(shí)，轉換器開(kāi)關(guān)就會(huì )工作在不連續導通模式(DCM)。極端情況下，假設負載為0，轉換器開(kāi)關(guān)就會(huì )只轉換一次就不再工作。實(shí)際上，由于開(kāi)關(guān)電源的ESR，反饋回路等等形成的阻抗產(chǎn)生電路損耗。此時(shí)，控制MOSFEET的PWM脈沖寬度明顯小于正常連續開(kāi)通模式(CCM)的脈沖寬度。
圖12 DCM模式電感電壓與電流波形 同時(shí)，每個(gè)MOSFEET開(kāi)關(guān)管的切換時(shí)間，總是存在相對固定的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間，這就是開(kāi)關(guān)損耗。如果我們在DCM模式下，能降低開(kāi)關(guān)切換頻率。就會(huì )降低開(kāi)關(guān)損耗。 基于PFM的COT可以很好的解決上述難題，與傳統電壓/電流模式控制相比，恒定導通時(shí)間控制（COT）結構則非常簡(jiǎn)單，它通過(guò)反饋電阻來(lái)采樣輸出電壓，然后將輸出電壓紋波谷值直接與參考電壓進(jìn)行對比，生成固定的導通時(shí)間脈沖來(lái)導通上管MOSFET。
圖13 COT核心控制機理 COT架構無(wú)需傳統電壓/電流模式DC/DC控制中的補償網(wǎng)絡(luò )，只需要一個(gè)參考比較器輸出來(lái)觸發(fā)定時(shí)脈沖發(fā)生器。變換器的設計更加簡(jiǎn)單，因為元器件變得更少，也無(wú)需花費很多時(shí)間來(lái)調整補償值。COT 變頻控制結構在輕載時(shí)，脈沖頻率得到了進(jìn)一步的降低，可以保持較高的效率。COT架構也存在一些缺點(diǎn)：首先，每次導通時(shí)間固定，頻率會(huì )隨占空比發(fā)生變化，針對這種情況，我們一般在電路上調整假負載，控制頻率因素。其次，COT架構的另一個(gè)缺點(diǎn)，需要依靠FB引腳上的紋波調整占空比，輸出紋波很大。 多相交錯并聯(lián)降壓技術(shù) 如果變換器的開(kāi)關(guān)頻率一致，并且在各變換器之間加一定的相移，可以減少輸入輸出電流紋波，這種稱(chēng)之為多相交錯并聯(lián)降壓技術(shù)。
圖14 多相交錯并聯(lián)移向技術(shù)架構 多相交錯并聯(lián)Buck型DCDC變換器是由多個(gè)變換器并聯(lián)，共同為負載提供電流。每個(gè)驅動(dòng)信號頻率相同，相位錯開(kāi)。
圖15多相交錯并聯(lián)移向電流紋波 用交錯并聯(lián)后電流由交錯電流疊加，如果疊加相位匹配控制得好，電流紋波會(huì )隨相位增加而降低，電壓紋波也會(huì )相應降低。 多相交錯并聯(lián)COT架構電源對于輕載、重載自由切換的大功率通信應用場(chǎng)合意義十分重大，特別是5G通信電源，需要滿(mǎn)足超大射頻發(fā)射功率等應用場(chǎng)景。 Microchip基于雙相交錯先進(jìn)COT Buck電源的解決方案 Excelpoint世健代理的產(chǎn)品線(xiàn)Microchip推出基于雙相交錯先進(jìn)恒定導通時(shí)間（COT）同步降壓控制器的MIC21LV33系列電源芯片。該芯片采用獨特的自適應導通時(shí)間控制架構，支持超輕負載模式和切相功能�？刂撇糠植捎贸咚倏刂破�，在中等負載至重負載條件下支持超快速瞬態(tài)響應。支持從外部通過(guò)電容編程軟啟動(dòng)，實(shí)現安全啟動(dòng)進(jìn)入重載模式。該芯片還集成一個(gè)遠程檢測放大器，用于精確控制輸出電壓。 MIC21LV33提供全套保護功能，確保在故障狀態(tài)期間保護芯片。包括：電源電壓跌落條件下正常工作的欠壓鎖定、降低浪涌電流的可編程軟啟動(dòng)、過(guò)壓放電、“打嗝”模式短路保護、以及熱關(guān)斷。 MIC21LV33產(chǎn)品主要特征： -輸入電壓范圍：4.5V——36V -輸出電壓、電流：0.6V——28V，最低0.6V，精度±1%。最大輸出電流：50A。 -開(kāi)關(guān)頻率范圍：100kHz——1MHz/Phase -MIC21LV33集成遠程檢測放大器，用于精確控制輸出電壓。 -封裝：32腳 5mm x 5mm VQFN -溫度范圍：-40℃——125℃。
圖16 MIC21LV33 評估板 MIC21LV33該產(chǎn)品可應用于：分布式電源系統、通信/網(wǎng)絡(luò )基礎設施、打印機、掃描儀、視頻設備、以及FPGA/CPU/MEM/GPU內核電源。該產(chǎn)品可以支持最大8相堆疊，電流輸出高達200A。滿(mǎn)足各種應用場(chǎng)景，Excelpoint世健可提供相應技術(shù)指導及樣品支持。 |
