作者：Sridhar Gurram, Oliver Brennan, and Tim Wilkerson

長期以來，在 MP3 播放器、個人媒體播放器、數(shù)碼相機和其他便攜式消費類應用中實現(xiàn)高性能和低功耗一直是設計人員面臨的挑戰(zhàn)。這些電池供電系統(tǒng)通常采用嵌入式數(shù)字信號處理器（DSP），以便在處理多媒體應用時實現(xiàn)最大處理能力，在睡眠模式下實現(xiàn)最低功耗。電池壽命在手持式電池供電產品中至關重要，因此其成功與否直接關系到電源系統(tǒng)的效率。

降壓DC-DC開關穩(wěn)壓器是此類系統(tǒng)的關鍵組件，可有效地從較高電壓（例如1.4 V）獲得低電源電壓（例如5 V）。作為穩(wěn)壓器，它必須保持恒定電壓，快速響應上游電源或負載電流的變化。我們將在這里討論一種提供良好調節(jié)、高效率和快速響應的架構。

開關穩(wěn)壓器剖析

圖1所示為使用ADI公司低占空比、2102 MHz、同步降壓轉換器ADP3的典型應用電路。它提供多種固定輸出和電阻可編程電壓選項。它以固定電壓配置連接，從 0.8V 輸入電壓產生穩(wěn)定的 5.5V 輸出并驅動 300mA 負載。接下來將提供一個電阻可編程應用示例。

圖1.ADP2102連接后，從0.8 V輸入產生5.5 V輸出。

以下是電路操作的簡要說明：將直流輸出電壓的一小部分與誤差放大器中的內部基準進行比較，誤差放大器的輸出與電流檢測放大器的輸出進行比較，以驅動單觸發(fā)，該電流導通一段時間取決于VOUT/VIN比。單觸發(fā)打開上部門控晶體管，電感L1中的電流斜坡上升。當單次超時時，晶體管關閉，電流斜坡下降。在由最小關斷定時器和最?。ā肮戎怠保╇娏鞔_定的間隔后，單次再次脈沖。片內單觸發(fā)定時器采用輸入電壓前饋，以在穩(wěn)定狀態(tài)下保持恒定頻率。

這種振蕩無限期地持續(xù)（大約3 MHz，但根據需要偏離以響應瞬態(tài)線路和負載變化），將輸出電壓保持在編程值，平均電感電流保持在輸出負載所需的值。

上述方法相對較新。多年來，DC-DC轉換的主要方法是恒定頻率峰值電流方法，在降壓DC-DC轉換器中實現(xiàn)時也稱為后沿調制。

ADP2102還包括欠壓鎖定、軟啟動、熱關斷、短路保護和±1%反饋精度。這種架構允許主開關的導通時間低至或低于60 ns。

圖2顯示了各種條件下的典型波形。圖2a顯示了伴隨從V大幅降低電壓而來的低占空比在= 5.5 V 至 V外I 時為 0.8 V負荷= 600 mA。從圖中可以看出，開關頻率為45 MHz時，實現(xiàn)的最小導通時間為3 ns。

圖2b顯示了負載電流階躍增加300 mA時的負載電流和電感電流。

圖2c顯示了負載電流階躍降低300 mA時的負載電流和電感電流。

圖2d顯示，當器件以50%占空比工作時，沒有次諧波振蕩，這對于使用峰值電流模式控制的器件來說是一個問題。這種不受次諧波振蕩影響的情況也適用于略大于或小于50%的占空比值。

圖 2a. V在= 5.5 V， V外= 0.8 V，最小導通時間 = 45 ns。

圖 2b.正負載瞬態(tài)響應（I負荷= 300 mA）。

圖 2c.負負載瞬態(tài)響應（I負荷= 300 mA）。

圖 2d.占空比 = 50%, VIN = 3.3 V, VOUT = 1.8 V, ILOAD = 300 mA.

DSP應用中的動態(tài)電壓調整

在采用數(shù)字信號處理器（DSP）的便攜式應用中，開關轉換器通常提供DSP的內核電壓和I/O軌。兩種電源都需要專為電池應用設計的高效率DC-DC轉換器。提供內核電壓的穩(wěn)壓器必須能夠根據處理器的時鐘速度或軟件的指示動態(tài)改變電壓。較小的整體解決方案尺寸也很重要。

這里描述的是系統(tǒng)電源效率的改進，可以通過用外部高效穩(wěn)壓器替換Blackfin處理器的內部穩(wěn)壓器來實現(xiàn)電池供電應用。還介紹了用于外部穩(wěn)壓器的控制軟件。

動態(tài)電源管理

處理器的功耗與工作電壓的平方成正比（V核心） 并與工作頻率 （F ） 成線性比例西 南部).因此，降低頻率將線性降低動態(tài)功耗，而降低內核電壓將呈指數(shù)級降低。

當DSP只是監(jiān)視活動或等待外部觸發(fā)時，在功耗敏感型應用中改變時鐘頻率（而不是電源電壓）非常有用。然而，在高性能電池供電的應用中，僅改變頻率可能無法節(jié)省足夠的功率。Blackfin處理器和其他具有高級電源管理功能的DSP允許內核電壓隨著頻率變化而變化，從而為每種情況尋求電池的最佳負載。

ADSP-BF53x系列Blackfin處理器中的動態(tài)電壓調節(jié)通常通過內部電壓控制器和外部MOSFET實現(xiàn)。這種方法的優(yōu)點是，可以將單個電壓（VDDEXT）施加到DSP子系統(tǒng)，而DSP則從MOSFET獲得必要的內核電壓（VDDINT）。內部寄存器允許通過軟件控制穩(wěn)壓內核電壓，以便協(xié)調MIPS以及最終消耗的能量，以實現(xiàn)最佳的電池壽命。

為了完全實現(xiàn)這種內部Blackfin穩(wěn)壓器方案，需要一個外部MOSFET、一個肖特基二極管、一個大電感器和多個輸出電容——這是一種相對昂貴的解決方案，效率較差，使用相對較大的PCB面積。使用集成穩(wěn)壓器所需的大電感器和電容器會使系統(tǒng)設計人員與消費者對便攜式設備盡可能小的愿望發(fā)生沖突。除了集成穩(wěn)壓控制器的效率相對較低（通常為50%至75%）外，這種方法還不適合高性能、手持式電池供電應用。

外部監(jiān)管

Blackfin集成方法的原生效率可以通過設計現(xiàn)代DC-DC開關轉換器提高到90%或更高。使用外部穩(wěn)壓器時，外部元件的尺寸也可以減小。

有多種動態(tài)電壓調節(jié)（DVS）控制方案可供選擇，從開關電阻（在某些情況下可以使用DAC實現(xiàn)）到脈寬調制（PWM），可以實現(xiàn)與內部方法一樣精細的粒度。無論使用哪種方案，都必須提供通過軟件控制改變調節(jié)電平的能力。雖然這種調節(jié)控制方法是內部穩(wěn)壓器方法所固有的，但必須在外部方法中添加。

本文介紹兩種調整DSP內核電壓的方法，即當處理器以降低的時鐘速度運行時，使用ADP2102同步DC-DC轉換器將內核電壓動態(tài)調節(jié)至1.2 V至1.0 V的值。

采用2102.0 V至8.2 V電池供電時，高速同步開關轉換器ADP7可將內核電壓調節(jié)至低至5.5 V。其恒定導通時間、電流模式控制和 3MHz 開關頻率可提供出色的瞬態(tài)響應、極高的效率以及出色的線路和負載調節(jié)。高開關頻率允許使用超小型、多層電感器和陶瓷電容器。ADP3采用節(jié)省空間的3 mm × 2102 mm LFCSP封裝，僅需三個或四個外部元件。功能齊全，包括欠壓鎖定、短路保護和熱關斷等安全功能。

圖3所示為實現(xiàn)DVS的電路。ADSP-BF533 EZ-KIT Lite?評估板上的3.3 V系統(tǒng)電源為ADP2102降壓轉換器供電，該轉換器的輸出電壓使用外部電阻分壓器R1和R2設置為1.2 V。DSP 的 GPIO 引腳用于選擇請求的內核電壓。改變反饋電阻可將內核電壓調節(jié)至1.2 V至1.0 V。N 溝道 MOSFET 通過插入電阻 R3 與 R2 并聯(lián)來修改分壓器。IRLML2402的0.25歐姆RDSon與R3相比很小。3.3 V GPIO電壓用于驅動MOSFET柵極。需要前饋電容CFF，以獲得更好的瞬態(tài)性能和更好的負載調整率。

圖3.ADP2102的動態(tài)電壓調節(jié)，采用外部MOSFET和Blackfin PWM控制。

兩電平切換的一般應用要求是：

DSP 內核電壓 （V出1） = 1.2 V

DSP 內核電壓 （V出2） = 1.0 V

輸入電壓 = 3.3 V

輸出電流 = 300 mA

高阻值電阻用于最大限度地降低通過電阻分壓器的功率損耗。前饋電容降低了開關期間柵極至漏極電容的影響。通過使用較小的反饋電阻和較大的前饋電容，可以最大限度地減少此轉換期間引起的過沖和下沖，但前提是額外的功耗。

圖4所示為輸出電流，我外、輸出電壓、V外和控制電壓，VSEL.低電平VSEL將輸出電壓調整至 1.0 V，并在VSEL將其縮放至1.2 V。

圖4.用一個 MOSFET 調制底部反饋電阻。

為DVS產生兩種不同電壓的更簡單方法使用控制電壓VC，通過附加電阻將電流注入反饋網絡。調整控制電壓的占空比會改變其平均直流電平。因此，可以使用單個控制電壓和電阻來調節(jié)輸出電壓。以下公式用于計算電阻R的值2/ 13，以及控制電壓幅值，VC_LOW和 VC_HIGH.

		(1)
		(2)

跟V外1= 1.2 V，V外2 = 1.0 V，VFB= 0.8 V，VC_LOW= 3.3 V，VC_HIGH= 0 V 和 R1= 49.9 科姆，R2和 R3可以按如下方式計算

		(3)
		(4)

這種方法會產生更平滑的過渡。任何可以驅動阻性負載的控制電壓都可以用于此方案，而MOSFET開關方法只能與可以驅動容性負載的控制信號源一起使用。這種方法可以調整為任何輸出電壓組合和輸出負載電流。因此，可以通過根據需要調整內核電壓來降低DSP功耗。圖 5 顯示了上述方案的實現(xiàn)。圖6顯示了使用這種電流注入方法的兩個輸出電壓之間的轉換。

圖5.使用控制電壓VC對ADP2102進行動態(tài)電壓調節(jié)。

圖6.用控制電壓調制底部反饋電阻。

降壓型DC-DC轉換器中恒定導通時間谷值電流模式控制方案的優(yōu)勢

恒定頻率峰值電流控制方案使用兩個環(huán)路（即外壓環(huán)路和內電流環(huán)路）調節(jié)高輸入電壓以產生低輸出電壓?？刂菩盘柡洼敵鲋g存在最小的相移，因此允許簡單的補償。

通過NMOS主開關的電感電流通常通過監(jiān)測主開關導通時的壓降或放置在主開關輸入和漏極之間的串聯(lián)電阻兩端的壓降來測量。在電感電流檢測期間，開關節(jié)點上的寄生效應會導致振鈴行為，因此在測量電感電流之前需要消隱時間。這減少了主開關在低占空比操作期間保持導通和穩(wěn)定的時間。圖A顯示了主開關上的電感電流和電流檢測信號，包括消隱時間和導通時間。

圖A.消隱時間決定了使用固定頻率、峰值電流模式控制的降壓轉換器中的主開關可以實現(xiàn)的最小導通時間。

在低占空比操作期間，即當輸出與輸入相比非常小時，主開關導通始終由內部時鐘控制，并且獨立于反饋環(huán)路。因此，存在最小導通時間，限制了在較高開關頻率下的操作。此外，由于建立時間的限制，由于脈沖不夠寬，因此無法檢測電流。消隱時間主導主開關導通時間，留給電流檢測的時間非常少。在手機和媒體播放器等便攜式應用中，DSP內核需要0.9 V量級的輸出電壓。為了最小化電感器的尺寸并減小整體解決方案的尺寸，需要高開關頻率;但是，使用這種控制方案，很難使用高開關頻率從較高的輸入電壓產生低占空比電壓。

后沿調制控制的第二個限制是其較差的瞬態(tài)響應。圖B顯示了響應負載電流正負變化的典型波形。在便攜式應用中，必須實現(xiàn)快速瞬態(tài)響應，同時最大限度地減小輸出電容尺寸和成本。當輸出端出現(xiàn)正負載電流階躍時，輸出響應可以延遲多達一個時鐘周期。在負負載電流階躍期間，轉換器強制最小寬度的高端導通時間，由電流控制環(huán)路的速度決定。因此，在負負載瞬變期間不可能實現(xiàn)最小延遲響應，并且會發(fā)生嚴重的過沖和下沖瞬變。必須在輸出端增加額外的電容，以使其最小化。

圖 B. 峰值電流模式控制的正負負載電流響應。

在固定頻率下工作的峰值電流控制轉換器的第三個限制是，占空比大于50%時的不穩(wěn)定性（圖C）會導致次諧波振蕩，從而導致平均輸出電流下降，輸出電流紋波增加。占空比大于50%時，電感電流（ΔIL1）的增加往往會隨著時間的推移而增加，從而導致I2（ΔIL2）的增加更大。為了克服這個問題，需要斜率補償或斜坡補償，這增加了設計的復雜性。通常，在電感電流檢測信號中增加一個外部斜坡。

圖 C. 占空比為 >50% 時固定頻率峰值電流控制轉換器的不穩(wěn)定問題。

這些問題可以通過使用恒定導通時間、谷值電流模式控制方案（稱為前沿調制）來克服，其中主開關的導通時間通過設計固定;關斷時間根據谷值電流檢測信號進行調制;并且開關周期調整為等于導通時間加上關斷時間。這種架構通過為主開關提供最短的導通時間來促進高頻操作，從而允許從較高的輸入電壓輕松產生低壓輸出。

在低壓DC-DC降壓轉換器中，主開關僅導通10%的時間，而同步開關導通的其余90%時間。這使得低邊開關電流的采樣和處理比主開關電流更容易。

不是檢測電感峰值電流來確定主開關電流，而是在主開關的關斷時間內對電感谷進行采樣。谷值電流檢測與恒定導通時間拓撲相結合，可減少環(huán)路延遲，從而實現(xiàn)更快的瞬態(tài)響應。

Ray Ridley（延伸閱讀3）證明，外部斜坡等于電流信號下降斜率的恒定頻率控制的電流環(huán)路增益與恒定導通時間系統(tǒng)的電流環(huán)路增益相同。因此，環(huán)路增益隨占空比不變，以實現(xiàn)恒定導通時間控制，從而保證了所有條件下的穩(wěn)定性。相反，在恒定頻率峰值電流控制中，環(huán)路增益隨占空比增加而增加，如果使用的外部斜坡時間不足，則可能導致不穩(wěn)定。

恒定導通時間、可變關斷時間轉換器克服了與占空比高于 50% 的固定頻率操作相關的不穩(wěn)定性問題，無需斜率補償。如果負載電流增加，則周期開始前和周期結束時的干擾保持不變，因此，無論占空比如何，轉換器都保持穩(wěn)定。由于這種架構沒有固定時鐘，因此斜率補償是多余的。

恒定導通時間、谷值電流控制的顯著優(yōu)勢之一是能夠限制降壓轉換器的短路電流。當降壓轉換器的輸出短路且高端開關導通時，輸出電壓變?yōu)榱悖姼袃啥穗妷旱扔赩在.電感電流在t的持續(xù)時間內迅速上升上.電感放電時間，t關閉，增加，因為它是由 V 決定的外/L，其中 V外實際上是短路。在電流降至所需的谷值電流限值之前，高端開關不會再次打開。因此，在短路條件下，該控制方案只能提供固定的最大電流。

審核編輯：郭婷