你不知道的电源管理用稳压器

随着笔记本电脑和电话体积变小，重量减轻，便携式电子产品越来越受欢迎。这加强了系统设计者的重点，即减小电子设备的尺寸和重量，特别是电源电路。诸如电路板空间，系统成本，元件数量，可用性和电池寿命等考虑因素变得越来越重要。事实上，电池寿命已经成为便携式设备的一个主要销售特征，因为用户可以预期今天的系统运行时间比两年前购买的系统长得多。

在众多应用策略中实现成本节约，提高效率和减小尺寸是最重要的。使用最新的低压差稳压器（LDO）或快速开关稳压器降低了这些电源的能量损耗，为系统的其余部分运行留下了更多的能量。新的电池技术也可以达到同样的目的，既可以在不降低容量的情况下减小尺寸，也可以在保持相同尺寸（和重量）的同时提高容量。待机（或睡眠）模式有意义，特别是当本地发生电源转换时，靠近相应的负载。因此，系统可以关闭未使用的部分，例如笔记本电脑中的硬盘驱动器或手机中的发射器。

较新的调节器使设计人员可以减小尺寸和总体成本整个系统解决方案，因为他们也可以使用更小，更便宜的外部元件，如电容器和电感器。

简单的线性稳压器已经存在很长时间了;但是虽然它们的成本很低，但它们的压差电压 - 传输晶体管上的最小压降 - 相对较高，通常在1.5和3 V之间。低压差稳压器（LDO）的发展，压差低至0.1 V / 0.4 V / 100 mA负载电流 - 使稳压器的功耗降低约90％ - 是一项重大改进。除了比上述简单调节器的情况更低的耗散之外，可以使用更低电压的电池，或者在需要更换或再充电之前电池可以放电到更低的电压。这意味着更长的运营时间。

ADI公司的低压差稳压器包括：

• 通用ADM66x系列和ADP3367，其压差电压范围为1 V至100 mV / 100 mA。
• 新一代高性能，±0.5％ - 精度 anyCAP ^™ LDO稳压器，ADP3300，ADP3301和ADP3303适用于50,100和250 mA满量程输出，每100 mA的压差水平为100或200 mV。
• ADP3301的双100 mA版ADP3302具有相同的±0.5％精度和低120- mV压差水平。

传统的LDO需要一个体积庞大，价格昂贵的10μF负载电容，并具有精心选择的等效串联电阻（ESR）; ADP330x系列可以使用多种电容器类型和数值 - 典型示例可能是0.47μF，低成本的多层陶瓷电容器。这项重要技术已获得专利，并已标记为“anyCAP ^™”。

LDO比传统线性稳压器更有效，并扩展了电池的有用工作电压，但是电压降浪费宝贵的电力[ W =（ V _IN - V _OUT ） × I _L ]。所有线性稳压器都需要比输出电压更高的输入电压;它们只能调节到所需的值，永远不会提升到它。因此，为了提高效率，并使输出电压超过输入电压或变为负值的灵活性，设计人员必须转向开关模式或开关电容调节器或转换器。

通过消除功耗传输晶体管，开关模式稳压器电路[见侧栏]的效率可达90％甚至更多。因此，更多的电池能量进入动力设备，导致操作时间增加。然而，在获得高效率时，开关模式调节器也带来一些挑战。例如，对磁性元件的需求增加了电源的整体尺寸和重量，这两者在便携式设备设计中都是至关重要的。它还增加了系统成本。

为了最大限度地减少这些问题，在某些情况下，开关频率会被推高至1 MHz，以减小电感器和电容器的尺寸。然而，开关稳压器还有另一个问题：在脉冲频率调制（PFM）或脉冲宽度调制（PWM） ¹ 模式下工作，会产生输入和输出纹波和电噪声（电磁干扰或EMI）当电流切换时。 ² 因此，根据应用，开关模式稳压器可能需要滤波器来平滑输出纹波和/或屏蔽以抑制EMI。然而，开关模式稳压器的更高效率使其在笔记本电脑等应用中广受欢迎。

ADI公司推出的其中一款开关稳压器是ADP3000（见边栏）。它可以在升压，降压和逆变器模式下工作。在 boost 模式下，它接受2 V至12 V的输入电压，在降压模式下，输入电压最高可达30 V.固定电压为3.3 V，5 V和提供12 V电压，可调节输出。

几个关键特性使该器件非常适合便携式电池供电应用。例如，它在静止或待机模式下仅消耗500μA。 400kHz的开关频率意味着只需要一个小的外部电感。在大多数情况下，可用的最小尺寸电感（对于1A峰值电流为2.2μH至15μH）就足够了。其他主要特性是低输出电压纹波 ³ - 在3.3V输出可调电流限制下小于40 mV pp，以及可用作低电池检测器，线性稳压器的辅助放大器，电压锁定或误差放大器。下面的示例将说明如何在实际应用中使用这些功能。

开关电容电压转换器是另一种避免与LDO相关的损耗的技术。最近推出的具有稳压输出的ADP3604开关电容电压逆变器就是一个例子。该器件提供稳压电压，电压损耗最小，外部元件极少，无引线器或变压器。 ADP3604采用240 kHz内部振荡器，可产生120 kHz的开关频率，与ADM660和ADM8660等早期设计相比，使用的电容器体积更小，成本更低。它接受+4.5 V至+6.0 V的输入电压，输出电压为-3 V，精度为±3％，输出电流高达120 mA。

如上所述，电池技术也取得了很大进步。虽然过去使用不多，但锂离子（Li离子）类型成为许多近期应用的首选电池，原因很充分：它们具有最佳的能量密度（充电容量与重量的比率），并且它们具有由于自放电电流非常低，待机时间长。但他们确实有一种行为，如果没有复杂的电子产品，它们很难使用。它们的输出电压在放电时不断下降。与Ni-Cd或NiMH电池不同，Ni-Cd或NiMH电池具有较长的平台，然后在容量结束时相当急剧下降（图1），锂离子电池的起始电压为4.1 V至4.2 V（取决于化学成分，和具体的制造商）;然后，当它放电时，电压几乎呈线性下降，一直下降到2.5V左右。超过这一点，由于进一步放电会损坏电池，需要重新充电。

图2所示电路设计用于从单个锂离子电池产生两个恒定的3 V输出，每个输出高达100 mA。在4.2至2.7 V的输入范围内，输出保持在±1％范围内，每路输出负载0至100 mA，工作温度范围为-40至+ 85°C。当输入电压降至2.5 V时，电路具有自动关闭功能以保护电池。

输入电压变化可产生恒定的+ 3 V输出，当输入始终为输入时，使用LDO或降压 - 调节器（当输入总是大于+ 3-V输出时）或使用 boost - 调节器时对于单个锂离子电池在延长的寿命期间产生+ 3-V输出的例子，当输入小于3.1 V并且高于该电压时，必须提供升压。有几种方法可以做到这一点。例如，ADP1147型降压开关稳压器可用于反激模式。缺点是输入和输出都有纹波。或者，ADP3000可用于单端初级电感转换器电路（SEPIC），数据手册中显示的应用，使用两个电感器;它的弱点是相当大的波纹。图2的ADP3000电路采用ADP3302双输出LDO，经过优化，可与最小屏蔽6.8μμH电感一起工作，从而节省空间和资金。更小更便宜的是开放式电感器 - 杆式 - 当电源电路的环境对EMI不敏感时可以使用。

以下是电路的工作原理：最初，电池充满电。输入电压远高于3 V，开关稳压器ADP3000处于空闲模式，因为Fb（ADP3000，引脚8）的电压高于参考电压（1.245 V）。 LDO（ADP3302）将输出电压调节为3 V.负载电流（最高2×100 mA）稳定地流过电感（电阻为0.12欧姆），肖特基二极管（D1）的正向电压<0.2 V，总电压降约为0.23 V。

随着电池电压随时间降低，Fb处的电压按比例减小。当输入降至约3.7 V以下时，Fb处的电压低于1.245V参考电压（分压器R9-R10）。内部比较器改变状态，ADP3000的振荡器启动;由电感和二极管构成的升压转换器开始将能量转移到电容器C3中，以使Fb处的电压保持在1.245V左右。电池电压越低，传输的能量越多，导致增加开关频率，在关断前（在2.5 V时）达到100 kHz以上，给定200 mA满载 ⁴ 。

ADP3000的SET输入（引脚7） ）通过R1-R2分压器持续监控输入电压。当它低于2.53 V（介于2.74 V和2.53 V之间时，取决于ADP3000内部的基准电压源），Ao（引脚6）将变为逻辑低电平，并通过拉动SD1和SD来关闭ADP3302 LDO稳压器。 SD2（引脚6和7）接地。同时，晶体管导通（分压器R5-R6）以将Fb拉高并确保振荡器关闭。 ADP3000的电池剩余负载电流仅为500μA，另外还有一个可选的微型LED作为电池耗尽警报连接到Ao（点线）。

33 nF电容（C2） ）用于将电源电压中的馈通滤波到敏感反馈点Fb。连接到I _LIM 的120欧姆电阻（R4）限制开关电流，以降低电感额定电流的要求，同时降低输出纹波和所需电容。 / p>

ADP3000由James Ashe在加利福尼亚州圣克拉拉的ADI公司设计。

¹ PFM使用恒定导通时间脉冲，但根据负载和输入电压改变其频率。这会对其他系统频率产生不可预测的干扰，例如系统时钟，电话中的IF等。频率从几百赫兹开始，将穿过整个音频范围;它产生的问题是PFM技术在包含某种音频的任何东西中都不被广泛接受的另一个原因。 PWM使用固定频率但改变脉冲宽度;因此，它的噪声更容易滤除。

² 开关脉冲包含尖峰，上升时间为20 ns至40 ns;这些产生大部分EMI问题。

³ 输出纹波是开关峰值电流×ESR（输出电容的等效串联电阻）的函数。 ADP3000通过限制峰值电流[I _LIM ]和使用具有低ESR的电容（如Sony OS-COM（1.5mΩ）]来降低纹波。推荐用于标准开关转换器的钽电容器（也缺少限流功能）的ESR约为100mΩ。

⁴ 振荡器以400ÊkHz恒定运行，但是门控电路允许所需的脉冲数通过，这是输出端所见频率的原因。