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為便攜設備供電的創新型雙輸出LDO電源解決方案

文章來源：更新時間：2015/8/6 9:02:00

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引言
在現代應用中，傳統的低壓降穩壓器（LDO）正逐漸被開關電源（SMPS）所取代。雖然LDO是一個成本低廉而且強固耐用的電源解決方案，但是它耗電很大。越來越多的便攜設備廠商，像數碼相機、手機、PDA制造商，都在研究用效率更高的解決方案取代LDO的可行性。開關解決方案的大小，即電源的物理尺寸，通常是這些廠商無法逾越的障礙。

STw4141是一個創新的開關電源，只使用一個外接線圈就能產生兩個獨立的輸出電壓。因為其內在的開關特性，這個芯片的效率很高，而且所需的外部組件數量極少。該產品的效率可以與兩個獨立的開關電源媲美，尺寸相當于兩個獨立的LDO電源。因此，能夠取代便攜設備中的線性電源，或者縮減開關穩壓器的物理尺寸和成本。

工作原理
先簡要地了解一下傳統的降壓直流-直流轉換器，STw4141創新的雙輸出拓撲就是源自這種設計。圖1是一個簡單的降壓轉換器的電路示意圖，圖2是其線圈電流的波形。降壓轉換器拓撲組件包括PMOS和NMOS組成的功率級、線圈L、輸出電容C和反饋控制回路。PMOS和NMOS以1/T的頻率反相開關，占空比為D1.。當PMOS晶體管導通時，線圈電流開始上升，斜率為：

（1）當NMOS晶體管導通時，線圈電流開始下降，斜率為：

　　圖1 降壓拓撲
（2）在穩態過程中，下列條件必須有效：

（3）公式3是指每個時鐘周期開始時的線圈電流IL必須等于每個時鐘周期結束時的線圈電流IL（否則系統不是穩態）。從這個條件，我們可以得出降壓轉換器的占空比公式。

（4）公式4指線圈產生的總電量必須等于負載消耗的總電量，假設所有的開關和RDSon損耗忽略不計。

　　圖 2 線圈電流波形

對于雙輸出拓撲，在STw4141穩壓器中，線圈產生的電流分配給兩個輸出端，從這兩個輸出端口獲得的負載電流可以（實際上總是）完全不相關。因此，公式4的穩態條件必須改寫成：

（6）其中，Iload1 是負載從輸出1汲取的電流，Iload2 是負載從輸出2汲取的電流。

　　圖 3 STw4141拓撲

為了按照公式6分配電量，系統就需要增加兩個開關MOS1和MOS2，如圖3所示。當MOS1導通時，線圈內貯存的電量就會傳送到輸出1；當MOS2導通時，線圈內貯存的電量就會傳送到輸出2。MOS1和MOS2以類似于PMOS和NMOS的1/T頻率反相開關，而占空比D2.不同于PMOS和NMOS的D1。可以說占空比D1是測量系統能夠傳輸的總電能的標準，而占空比D2則是測量兩個輸出之間分配的總電能的標準。值得注意的最重要因素是，該系統只需一個線圈。

圖4是雙輸出拓撲線圈電流的波形。與傳統的降壓轉換器不同，雙輸出拓撲有三個主要相位：（Vbat-Vout2）/L上升斜率；-Vout2/L下降斜率；-Vout1/L下降斜率。

　　圖4 線圈電流波形
性能
提高效率的措施包括同步整流、采用脈頻調制PFM模式、最大限度降低RDSon功耗和先進的內部啟用/禁用策略。

同步整流用于降低二極管D前向電壓而產生的功耗（見圖1），在二次循環期間，NMOS晶體管短接二極管D，導致功耗降低。

（7）線圈內的電流可能會逆轉是同步整流技術已知的缺點，這會導致功耗增加。STw4141解決了這個難題，方法是當IL=0時，將NMOS晶體管關斷，預防線圈內電流回流。STw4141的同步整流方法在中等負載條件下極大地提高了效率。

在負載極低時，通過進入PFM模式，效率得到進一步提高。在PFM模式下，功率轉換不再與內置振蕩器同步，而是根據需求量向輸出端傳送電能。功率級換向頻率最小化，再加上禁用PFM模式下無用的內部振蕩器，使STw4141變得更加省電，如圖5所示。 STw4141能夠自動選擇模式，無需用戶介入即可實現最佳的效率。

　　圖 5 效率特性

PFM模式的使用方式取決于芯片的應用場合。因為在PFM模式下功率轉換是異步的，電磁輻射可能會在應用敏感的頻率下產生頻譜噪聲。如果存在這種制約因素，那么可以使用兩種方法進行配置：PFM模式完全禁用；用戶可以覆蓋自動開關，強制進入工作模式。設計人員利用覆蓋功能可以設計一個既節能省電又無頻譜干擾的電源系統。在待機模式下，任務時段性完成95%過程的應用處理器是這種系統的一個實例，因為這種處理器還必須在待機模式下保存數據，所以可以用待機模式供電。在收到處理器喚醒信號前幾微秒內，芯片被強制進入脈寬調制模式（PWM），并且保持這種模式一直到高級系統使處理器返回到睡眠模式為止。

附加功能
頻譜干擾是一個問題，可能存在于敏感應用中，業內一直在研究這個現象。一份研究報告顯示，在實際應用中，某些頻率是應該避免的，而其它頻率并不影響整個系統。STw4141內部振蕩器（考慮到它的頻譜）的頻率可能在有害頻帶內。基于這個原因，配備了鎖相環（PLL），允許用戶在有害頻帶以外的寬頻范圍內同步內部振蕩器。鎖相環還可以抑制內置振蕩器的頻譜，使STw4141與系統的其它組件同步。

高壓輸出Vout1通常用于I/O引腳結構（VIO），低壓輸出Vout2通常用于數字核心（VCORE）。為了支持多種處理器，可以提供VIO電壓不同和VCORE電壓范圍1.0V到1.8V的多種產品。用戶可以通過專用引腳設置輸出電壓。這個功能在通過降低進入睡眠模式的應用處理器電源電壓來節省電能的應用場合十分有用。VCORE控制可以和前文提到的模式控制（PWM/PFM）配合使用，但是兩者之間存在很大的不同：VCORE控制可降低應用處理器的功耗，而模式控制可降低芯片的功耗。兩項功能都可降低整個應用系統的功耗。

此外，STw4141具有峰值電流限制和熱保護功能，峰流限制功能不僅用于保護芯片本身，而且還限制芯片從電池汲取的電流。因為電池內部串聯電阻的原因，從電池汲取過多的電流可能會使電池電壓產生很大的變化。

典型應用
導致STw4141降低尺寸及成本的最重要因素是只需一個外部線圈，而普通電源則需要兩個。圖6所示是推薦的外部組件布局，這是一塊為完整應用設計的面積僅為7 x 8 mm的電路板。在這個設計中，線圈是體積最大的組件，同時節省電路板空間也正是這個組件，其次， BGA封裝也在節省電路板空間上發揮了重要作用。

　　圖6 STw4141應用電路板

　　圖 7 典型應用
STn8810多媒體應用處理器（NOMADIK）以及STV0984 + VS6750圖像處理器和200萬像素CMOS圖像傳感器的共性是，數字核心電壓（VCORE）與I/O引腳電源電壓（VIO）的要求不同。圖7是一個 CMOS相機應用的電路示意圖，VCORE電壓（1.2 V）供給數字核心STV0984，而VIO電壓（1.8V）用于供給VS6750以及STV0984的I/O結構。這樣的布局設計使得應用電路板的尺寸極其緊湊。