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利用降压转换器为便携设备供电
Alternatives to Linear Regulators in Step-Down Conversion
■美国国家半导体公司 William J. McIntyre 及 John Parry
PDA及笔记本电脑等便携式产品若采用锂电池为其微处理器供电,在一般情况下都会采用小型而又具能源效益的降压直流-直流转换器。若以转换效率作为衡量标准,开关稳压器才是佳 的选择。若元件高度受到限制,便不能使用电感(移动电话等便携设备常受此限制)。在这种情况下,采用低压降 (LDO) 线性稳压器作为转换器可能是一个较为理想的选择。只要微处理器电压接近电池电压,外型小巧且成本低廉的低压降芯片便可发挥其最高的效率。若电压差距太大,低压降芯片的效率便会大打折扣。

以供电电压为 3.6 伏的锂电池为例,该锂电池若为只需 1.8 伏供电的微处理器提供电源供应,通电后的 1.8 伏低压降芯片可为微处理器提供平稳定的供电,但功率的损耗则非常大。低压降芯片的功率损耗 (PD) 相等于负载电流 (ILOAD) 乘以输入与输出电压之间的压降 (PD = ILOAD x (3.6V-1.8V) = ILOAD x 1.8V)。换言之,以这个例子来说,若采用低压降芯片作为降压转换器,其转换效率最高只能达到 50%。由于输入微处理器及其它逻辑芯片的电压比电池的供电电压低,因此低压降芯片是一个效率较低的解决方案。

功率转换技术的最新发展显示,若要实施降压转换,除了采用线性稳压器之外,也可采用称为电荷泵的开关电容直流/直流转换器。开关电容器由于可以提高电压增益,因此其转换效率比线性稳压器高。换言之,由于开关电容器可以分别在充电及馈电等两个阶段利用堆叠或并行方式将电容器连接一起,因此可以提高输入/输出电压比率。这个增益配置可以执行与降压变压器极为相似的功能,亦即可以产生相等于输入电压 (VIN) 的输出功率 (VOUT)。

例如,采用 1/2 增益配置的开关电容转换器可将 3.6 伏的输入电压转为 1.8 伏的输出电压,而且功率损耗极少。若输出电压需要驱动 10 mA 负载,便由输入电压提供 5 mA 的供电。每当目标输出电压接近增益乘以输入电压的乘积,而且只有在这个情况下,开关电容转换器才可真正发挥如此高的效率。以先前的例子来说,若转换器的增益为 1/2,但输入电压则为 4.2 伏,我们可以试试计算其转换效率。在这个情况下,转换器会产生 2.1 伏的输出电压,比要求的 1.8 伏高出 300 mV。

将超额的 300 mV 乘以负载电流便是损耗了的功率。若输入电压持续上升,转换器产生的输出电压也会随着上升,以致 "泄漏" 的功率也会不断增加,令效率不断下降。此外,需要留意的是,若输入电压低于 3.6 伏,转换器的输出电压便会不足 1.8 伏。为了确保可在 3.6 伏以下的输入电压下操作,增益必须超过 1/2。

LM2788 是一款降压模式的开关电容转换器,可以利用三个分数电压增益以达致平均 84% 以上的功率转换效率。在这样的应用情况下,低压降芯片的效率只有 45%。这款崭新的转换器可以发挥如此卓越的性能,其窍门在于能以智能方式灵活选择 1/2、2/3 或 1 的增益。由于开关电容转换器可以灵活感测电池电压及输出负载的大小,因此可以选择适当的增益。

图 1 显示功率转换效率与电池提供的输入电压之间的函数关系。效率相等于输出电压/增益乘以输入电压 (VOUT/gain x VIN)。以增益为 1/2 为例来说,图中曲线显示输入电压超过 3.6 伏的效率走势,正如图中所示,输入电压越低,效率则越低。

一般的转换器都会利用脉冲频率调制功能产生稳定的输出电压。任何一种开关电容转换器的输出阻抗都与开关频率成正比增减。只要将转换器的阻抗调制,某一负载的压降幅度便可加以调节。回馈电路负责调节频率,以稳定输出电压。为了确保操作的稳定性,输出电容器的电容应比浮动电容器的电容最少大十倍。输出电容器的开关频率及大小决定输出电压纹波的波幅。若纹波波幅过大,以致设计的应用方案无法承受,可采用较大的输出电容器。另一个办法是特别为转换器的输出系统加设低压降芯片。若采用这个办法,转换器的输出电压必须相等于低压降芯片输出电压与低压降芯片压降的总和,并按照这个水平设定输出电压。这个解决方案的优点是噪音较低,而转换效率较高。

LM2788 芯片可用以驱动微控制器或其它数字设备 (参看图 2)。以图 2 为例来说,电源来自一枚锂电池。这款微控制器的输出电压是 1.8 伏,而所需的供电则是 100mA。若采用 10mF 的输出电容器,在一般的应用情况下会产生约 25mV 的纹波。这个解决方案的整体面积约为 0.28 平方英寸。若采用锂电池,平均功率转换效率高达 75%,比低压降芯片高约 45%。这个解决方案只需一颗 LM2788 芯片、两个 1.0mF 浮动电容器以及两个 10mF 保持电容器,而且无需加设电感器。

由于这款转换器采用 0.18m 以至更精密的工艺技术制造,因此不同数字处理器所需的电流可以低至 100mA 以下。若在这一供电水平下操作,开关电容直流直流转换器可以充分发挥其性能与效率,是取代电感式开关器的另一理想选择。

         
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