【導讀】在電路系統(tǒng)設計中，總是離不開電源芯片的使用，林林總總的電源芯片非常多，比如傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器7805、低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)、開關型降壓穩(wěn)壓器(Buck DCDC)等，那么它們到底有什么區(qū)別呢？Excelpoint世健的工程師Wolfe Yu在此對各種降壓型穩(wěn)壓芯片的原理進行了科普。
降壓型穩(wěn)壓芯片的主要分類
串聯(lián)線性穩(wěn)壓電路原理
串聯(lián)線性穩(wěn)壓電路主要思路來自于基本線性調整模型。在輸入直流電壓和負載之間串入一個三極管，其作用就是當輸出阻抗發(fā)生變化引起輸出電壓同步變化時，通過某種反饋形式使三極管的發(fā)射極也隨之變化，從而調整輸出電壓值，以保持輸出電壓基本穩(wěn)定。由于串入的三極管是起著電壓調整作用的，所以，這個三極管也稱為調整管。
圖1 LDO基本模型
基本線性調整管的輸出電壓，主要由穩(wěn)壓管的電壓來決定，無法實現(xiàn)自動調節(jié)。為了讓輸出電壓可以自由設定，從而不受穩(wěn)壓管影響，一般會加入運算放大器，通過比例系數(shù)調節(jié)輸出電壓。
圖2 可調LDO模型
LDO直流輸入電壓和負載調整率、輸入電壓和負載瞬態(tài)響應、電源抑制比(PSRR)、輸出噪聲和精度在各種降壓型穩(wěn)壓器中，都是最優(yōu)，對于高精度模擬前端應用場合十分必要。所以，產品應用的核心電源，都會采用高精度LDO供電。
圖3 LDO主要功耗模型
LDO也會面臨另一個問題，效率比較低。主要是穩(wěn)壓調整管所需擊穿飽和電流、運放反饋回路電流、以及輸出電壓與壓差和電流產生的熱能損耗等等。一般來說，我們把輸入電流和Iin輸出電流Iout的差值，稱為接地電流（IGND），接地電流包括靜態(tài)電流（IQ），LDO的效率公式如下。
接地電流是影響LDO效率的一個因素，但是，相對于調整管的壓降來說，如同九牛一毛，可以忽略不計。真正影響LDO效率的是輸入輸出之間的電壓差。
一般來說，市面上常用的串聯(lián)線性穩(wěn)壓電路通常會采用五種常用的結構，大體分為：經典NPN型結構LDO(A)、基于PNP驅動的NPN輸出型低壓差結構LDO(B)、PNP型低壓差結構LDO(C)、P溝道低壓差LDO(D)、N溝道低壓差LDO(E)。
圖4 常見LDO產品架構
初步分析：經典NPN型結構LDO，輸入輸出壓差基本要求滿足3V左右。基于PNP驅動的NPN輸出型低壓差結構LDO，輸入輸出壓差需要達到1.5V。PNP型低壓差結構LDO、P溝道低壓差LDO和N溝道低壓差LDO屬于真正的低壓差LDO，P溝道低壓差LDO對于散熱要求很高，N溝道低壓差LDO相對工藝復雜。PNP型低壓差結構LDO相對簡單，輸入輸出壓差基本控制在0.3V——0.6V之間。市面上，選擇C和D方案作為LDO架構的廠商較多。
串聯(lián)開關穩(wěn)壓電路原理
前面我們提到，LDO有著較大的負載調整率、輸入電壓和負載瞬態(tài)響應、電源抑制比(PSRR)、輸出噪聲和精度。但是由于效率太低，隨著節(jié)能減排、PCBA的布局布線等要求，在很多高壓差的場合，人們不得不尋求新的替代方案。
隨著半導體技術和磁性材料的發(fā)展，通過調整開關管通斷、采用換能的方式，輸出相對穩(wěn)定的電壓的DCDC應運而生。
圖5 Buck DCDC基本拓撲
正常工作狀態(tài)下，BUCK型DCDC主要工作在連續(xù)導通模式（CCM），這種模式下，電感器上有連續(xù)電流，這種情況也稱為重載模式，DCDC主要是通過電感電壓伏秒平衡原理，來實現(xiàn)降壓功能。
圖6 Buck DCDC連續(xù)導通模式及輸出波形
從上圖來看，我們可以計算出BUCK型DCDC的輸出電壓和輸入電壓之間的關系，主要依賴于開關管的導通時間。
對于開關電源來說，影響開關電源功耗的因素，主要集中在開關管MOSEFET、門極驅動、電感磁芯損耗和線損上面。
圖7 Buck DCDC主要損耗因素
相對于線性穩(wěn)壓電源來說，開關穩(wěn)壓電源的效率可以達到90%以上，相對損耗幾乎忽略不計。所以，在很多應用場合，特別是較大輸出壓差和較大輸出功率的情況下，工程師幾乎統(tǒng)一都是采用這種Buck電源。
開關電源Buck電路的控制方案
PWM脈沖調制技術
傳統(tǒng)電流模式的開關電源，采用的方式是將采樣電流與電壓反饋環(huán)路中誤差放大器的輸出進行比較，以生成控制MOSFET的PWM脈沖。
圖8 PWM核心控制機理
電壓模式是PWM脈沖調制一種常用的調制方式，主要采用固定頻率三角波和誤差做比較，采用三角波和誤差幅值調整占空比。
圖9 電壓調整模式架構
峰值電流模式是PWM脈沖調制的另一種常用的調制方式，占空比主要由電流環(huán)決定，電壓環(huán)決定電流信號參考。
圖10 峰值電流模式架構
COT調制技術
PWM頻率恒定，其在整個負載頻率范圍內的紋波電壓和輸出噪聲都是非常低的，每個開關管在切換的時候都會產生開關損耗，特別是其在輕負載時，還保持較高的開關頻率，開關損耗比重加大，效率會降低。
圖11 DCM模式電感電流環(huán)示意
我們知道，當負載電流非常小時，或者說電感器的值小于臨界電感時，轉換器開關就會工作在不連續(xù)導通模式(DCM)。極端情況下，假設負載為0，轉換器開關就會只轉換一次就不再工作。實際上，由于開關電源的ESR，反饋回路等等形成的阻抗產生電路損耗。此時，控制MOSFEET的PWM脈沖寬度明顯小于正常連續(xù)開通模式(CCM)的脈沖寬度。
圖12 DCM模式電感電壓與電流波形
同時，每個MOSFEET開關管的切換時間，總是存在相對固定的開通和關斷時間，這就是開關損耗。如果我們在DCM模式下，能降低開關切換頻率。就會降低開關損耗。
基于PFM的COT可以很好的解決上述難題，與傳統(tǒng)電壓/電流模式控制相比，恒定導通時間控制（COT）結構則非常簡單，它通過反饋電阻來采樣輸出電壓，然后將輸出電壓紋波谷值直接與參考電壓進行對比，生成固定的導通時間脈沖來導通上管MOSFET。
圖13 COT核心控制機理
COT架構無需傳統(tǒng)電壓/電流模式DC/DC控制中的補償網絡，只需要一個參考比較器輸出來觸發(fā)定時脈沖發(fā)生器。變換器的設計更加簡單，因為元器件變得更少，也無需花費很多時間來調整補償值。COT 變頻控制結構在輕載時，脈沖頻率得到了進一步的降低，可以保持較高的效率。COT架構也存在一些缺點：首先，每次導通時間固定，頻率會隨占空比發(fā)生變化，針對這種情況，我們一般在電路上調整假負載，控制頻率因素。其次，COT架構的另一個缺點，需要依靠FB引腳上的紋波調整占空比，輸出紋波很大。
多相交錯并聯(lián)降壓技術
如果變換器的開關頻率一致，并且在各變換器之間加一定的相移，可以減少輸入輸出電流紋波，這種稱之為多相交錯并聯(lián)降壓技術。
圖14 多相交錯并聯(lián)移向技術架構
多相交錯并聯(lián)Buck型DCDC變換器是由多個變換器并聯(lián)，共同為負載提供電流。每個驅動信號頻率相同，相位錯開。
圖15多相交錯并聯(lián)移向電流紋波
用交錯并聯(lián)后電流由交錯電流疊加，如果疊加相位匹配控制得好，電流紋波會隨相位增加而降低，電壓紋波也會相應降低。
多相交錯并聯(lián)COT架構電源對于輕載、重載自由切換的大功率通信應用場合意義十分重大，特別是5G通信電源，需要滿足超大射頻發(fā)射功率等應用場景。
Microchip基于雙相交錯先進COT Buck電源的解決方案
Excelpoint世健代理的產品線Microchip推出基于雙相交錯先進恒定導通時間（COT）同步降壓控制器的MIC21LV33系列電源芯片。該芯片采用獨特的自適應導通時間控制架構，支持超輕負載模式和切相功能。控制部分采用超高速控制器，在中等負載至重負載條件下支持超快速瞬態(tài)響應。支持從外部通過電容編程軟啟動，實現(xiàn)安全啟動進入重載模式。該芯片還集成一個遠程檢測放大器，用于精確控制輸出電壓。
MIC21LV33提供全套保護功能，確保在故障狀態(tài)期間保護芯片。包括：電源電壓跌落條件下正常工作的欠壓鎖定、降低浪涌電流的可編程軟啟動、過壓放電、“打嗝”模式短路保護、以及熱關斷。
MIC21LV33產品主要特征：
-輸入電壓范圍：4.5V——36V
-輸出電壓、電流：0.6V——28V，最低0.6V，精度±1%。最大輸出電流：50A。
-開關頻率范圍：100kHz——1MHz/Phase
-MIC21LV33集成遠程檢測放大器，用于精確控制輸出電壓。
-封裝：32腳 5mm x 5mm VQFN
-溫度范圍：-40℃——125℃。
圖16 MIC21LV33 評估板
MIC21LV33該產品可應用于：分布式電源系統(tǒng)、通信/網絡基礎設施、打印機、掃描儀、視頻設備、以及FPGA/CPU/MEM/GPU內核電源。該產品可以支持最大8相堆疊，電流輸出高達200A。滿足各種應用場景，Excelpoint世健可提供相應技術指導及樣品支持。
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