無電感器的開關(guān)調(diào)節(jié)器

從前基于電感器的開關(guān)調(diào)節(jié)器(SRs)被認(rèn)為是最佳的電源架構(gòu)。但如今對(duì)于低功率和高集成度的電子系統(tǒng)來說，基于嵌入式電感器的SR具有多個(gè)約束，而這些約束都能利用無感架構(gòu)予以克服。本文基于實(shí)現(xiàn)成本(BOM和引腳數(shù))及性能(效率，噪聲及可靠性)，針對(duì)上述兩種架構(gòu)提供了量級(jí)并進(jìn)行了定量比較。

實(shí)現(xiàn)成本和BOM清單

基于電感器的調(diào)節(jié)器(圖1)的第一個(gè)也是最重要的一項(xiàng)約束就是成本和電感器尺寸。絕大多數(shù)情況下，電感器支配了集成SR的成本和尺寸。為了解決該問題，負(fù)責(zé)成本預(yù)算的消費(fèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)師試圖選用便宜的功耗大的電感器，但這將會(huì)降低功率效率。例如，如果在基于電感的SR中選用便宜的電感器來代替低ESR(等效串聯(lián)電阻)電感器，將會(huì)損失高達(dá)10%的效率。從而基于電感的SR的優(yōu)點(diǎn)將不復(fù)存在。

圖1：普通的基于電感的升壓(a)降壓(b開關(guān)調(diào)節(jié)器。

另一方面，無感SR(圖2)只需要采用一個(gè)或兩個(gè)小型且便宜的陶瓷電容器(飛跨電容Cf1和Cf2)來代替昂貴的電感器。事實(shí)上，對(duì)于給定的輸出電容，電感器的成本大約是飛跨電容的5-10倍，且體積比也達(dá)到了5-10倍甚至更高。

圖2：普通的無感開關(guān)調(diào)節(jié)器(a)，帶有飛跨電容的普通無感開關(guān)調(diào)節(jié)器(b)。

小電流時(shí)(<25mA)，甚至可以把飛跨電容集成到硅片內(nèi)，從而為高效率集成轉(zhuǎn)換提供極高的集成度。此時(shí)調(diào)節(jié)器只需要一個(gè)外接輸出電容器。

在許多已出版的有關(guān)采用嵌入式電感的集成SR的資料中都已明確地指出，這類SR需要采用非常高的開關(guān)頻率，最終都落入人們的注意力之外，原因在于效率低，硅片尺寸大，還需要射頻工藝。

還需注意的是，為了確保調(diào)節(jié)環(huán)路穩(wěn)定和最佳性能，通常還需要外部元器件來補(bǔ)償由LC濾波器(電感器和輸出電容器構(gòu)成)所形成的共軛極點(diǎn)。而在無感調(diào)節(jié)器中則無需補(bǔ)償，從而減小了無源元器件的成本。

所需的引腳數(shù)可能是無感方案中的主要問題。從圖1和2中可以看到，基于電感的SR需要4個(gè)引腳(VIN，VOUT，VX，和GND)，而無感SR中則需3-7個(gè)引腳(VIN，VOUT，Cf11，Cf12，Cf21，Cf22，和GND)，具體要取決于輸出電流容量和VIN與VOUT的比值。

同樣如上所述，在電感式解決方案中需要外部無源元件，這通常需要另外2個(gè)引腳。

總起來，電感式解決方案需要4-6個(gè)引腳，而無感方案則需要3-7個(gè)引腳。

性能和效率

無感SR，也叫做電荷泵(圖2)，眾所周知，當(dāng)輸入電壓可變時(shí)，其效率要低于電感式解決方案。但自從多模無感SR產(chǎn)品開發(fā)出來后，上述這種說法就不再成立了。這種方案在一般的電池電壓范圍內(nèi)，所提供的平均效率與電感式SR相類似。

的確，在電荷泵轉(zhuǎn)換器中，可利用多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)換比。例如，對(duì)于采用2個(gè)飛跨電容和不同開關(guān)模式的無感SR，可以實(shí)現(xiàn)11種電壓轉(zhuǎn)換比：即4/1，3/1，2/1，3/2，4/3，1，3/4，2/3，1/2，1/3以及1/4。如今可以實(shí)現(xiàn)在所有這些轉(zhuǎn)換比之間進(jìn)行自動(dòng)選擇的無感SR。效率為：

通過監(jiān)控VIN和VOUT可以發(fā)現(xiàn)，SR將自動(dòng)選擇合適的轉(zhuǎn)換比，根據(jù)VIN/VOUT工作點(diǎn)實(shí)現(xiàn)最高效率。例如，圖3所示即為在2.6-5.5V的輸入電壓范圍內(nèi)以及針對(duì)兩個(gè)不同的輸出電壓值，帶有兩個(gè)飛跨電容器的無感SR的效率曲線。

可見，這類的SR可以在整個(gè)輸入電壓范圍實(shí)現(xiàn)高于80%的平均效率，很顯然這與電感式解決方案所能實(shí)現(xiàn)的效率處于相同的范圍。同樣，對(duì)于像VIN=5V與VOUT=3.3V(USB電源線到I/O或模擬電壓領(lǐng)域)這樣的固定轉(zhuǎn)換比，效率可以高達(dá)85%。

圖3：無感開關(guān)調(diào)節(jié)器中效率與輸入電壓的關(guān)系。

由于便攜式電子系統(tǒng)中有多種操作模式，系統(tǒng)和不同子模組的電流消耗的變化很大。為這些子模組供電的SR必須在很寬的電流范圍上實(shí)現(xiàn)高效率。因此，效率的另一個(gè)重要方面是其如何響應(yīng)SR負(fù)載電流的變化。絕大多數(shù)電感式SR采用一個(gè)PWM調(diào)整環(huán)路。這種方案在負(fù)載最重時(shí)可以實(shí)現(xiàn)高效率，但當(dāng)負(fù)載減輕時(shí)其效率迅速下降。

圖4顯示了在PWM電感式SR中效率對(duì)負(fù)載電流的依賴性。圖中可見，輕負(fù)載時(shí)效率迅速下降。為了在較輕負(fù)載時(shí)維持效率，通常電感式SR采用耗能較小的解決方案，如PFM或PSM(脈沖跳頻調(diào)制)。但是這類調(diào)制方案的缺點(diǎn)是嚴(yán)重地降低了SR的調(diào)節(jié)性能，還大大增加了固有的輸出噪聲。

圖4還顯示了電感器的ESR對(duì)最大可實(shí)現(xiàn)效率的影響。為了真正實(shí)現(xiàn)電感式SR提供商的數(shù)據(jù)手冊(cè)中所標(biāo)明的效率，就必須采用超低ESR的電感器，但這種電感器總是既大又貴。事實(shí)上，出于成本約束方面的原因，系統(tǒng)或生產(chǎn)工程師常常是尋找便宜的電感器。因此，電感式SR在較高的電流輸出范圍內(nèi)(IOUT的10%-100%)的平均效率常常是位于80%到85%之間，如圖4所示。實(shí)際上，電感式方案的平均效率已經(jīng)降到了相對(duì)于無感SR方案中體積又小、價(jià)格又便宜的陶瓷電容器來說，即便是采用便宜的電感器，其尺寸和成本也顯得很不值得的程度。

無感式SR在輕負(fù)載情況下也會(huì)有同樣的效率損失。然而，像DOLPHIN的SRO-2.6~5.5/1/8~3.3這類產(chǎn)品，采用了創(chuàng)新的調(diào)整方案，減小了隨著負(fù)載減輕時(shí)SR的功率損失，同時(shí)能夠?qū)⑿时３衷谧罴?即滿負(fù)載時(shí)的99%，而調(diào)整性能和噪聲性能也沒有任何損失。

圖4：PWM電感式SR(a)和DOLPHIN公司SRO-2.6~5.5/1.8~3.3無感式SR(b)的效率與負(fù)載之間的關(guān)系，工作條件為VIN=3.3V&VOUT=1.8V。 從前基于電感器的開關(guān)調(diào)節(jié)器(SRs)被認(rèn)為是最佳的電源架構(gòu)。但如今對(duì)于低功率和高集成度的電子系統(tǒng)來說，基于嵌入式電感器的SR具有多個(gè)約束，而這些約束都能利用無感架構(gòu)予以克服。本文基于實(shí)現(xiàn)成本(BOM和引腳數(shù))及性能(效率，噪聲及可靠性)，針對(duì)上述兩種架構(gòu)提供了量級(jí)并進(jìn)行了定量比較。