【導(dǎo)讀】電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員需要多功能開(kāi)關(guān)控制器和穩(wěn)壓器，以便解決這些電源管理挑戰(zhàn)。本文介紹了如何利用同步降壓DC-DC穩(wěn)壓器現(xiàn)反相電源的設(shè)計(jì)，同時(shí)還為一些可能存在的問(wèn)題提供了解決方案。
雙極性放大器、光模塊、CCD偏置和OLED顯示屏等應(yīng)用通常需要通過(guò)正輸入電壓提供負(fù)輸出電壓。電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員需要多功能開(kāi)關(guān)控制器和穩(wěn)壓器，以便解決這些電源管理挑戰(zhàn)。
ADI公司的ADP2384和ADP2386開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器提供同步降壓功能。ADP2384可在高達(dá)4 A的條件下將20 V的輸入電壓降為0.6 V的輸出電壓，ADP2386則可在200 kHz至1.4 MHz的開(kāi)關(guān)頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高達(dá)6 A的輸出電流。
雖然ADP2384和ADP2386是針對(duì)同步降壓應(yīng)用而設(shè)計(jì)，但這些器件的多功能性使得它們能夠在不增加成本、元件數(shù)量和解決方案尺寸的情況下實(shí)現(xiàn)反相降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)而通過(guò)正輸入電壓產(chǎn)生負(fù)輸出電壓。
此外，這種同步拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)于異步拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有一定的優(yōu)勢(shì)，例如在較低的輸出電壓條件下可實(shí)現(xiàn)更高的效率，輕負(fù)載工作時(shí)噪聲更低。同步拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在輕負(fù)載和重負(fù)載工作條件下都會(huì)保持連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)；異步拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則會(huì)進(jìn)入斷續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)和脈沖跳過(guò)模式(PSM)且輸出負(fù)載電流降低，其噪聲會(huì)比CCM大。
本文介紹如何在同步反相降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中實(shí)施ADP2384/ADP2386，以便從正輸入電源產(chǎn)生負(fù)輸出電壓。此外還探討了一些問(wèn)題和可能的解決方案。
降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本原理
圖1顯示了簡(jiǎn)化的降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由一個(gè)電感、兩個(gè)彼此錯(cuò)相的電源開(kāi)關(guān)以及輸入和輸出電容組成。圖2和圖3分別是接通時(shí)和斷開(kāi)時(shí)的電流流向圖。接通時(shí)，開(kāi)關(guān)S1導(dǎo)通，S2斷開(kāi)，電流從輸入電容流出，給電感充電，輸出電容則向負(fù)載提供能量。斷開(kāi)時(shí)，開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)，S2導(dǎo)通，電流從電感流向負(fù)載，同時(shí)給輸出電容充電。
注意，電流從接地端流向VOUT，從而產(chǎn)生負(fù)輸出電壓。
通過(guò)對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用電感伏秒平衡和電容電荷平衡的原理，可算出穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換比，如方程1所示。方程2中指定了CCM下的直流電感電流值IL，方程3則顯示了電感紋波電流△IL。
利用ADP2384/ADP2386的實(shí)現(xiàn)方法
要利用ADP2384/ADP2386同步降壓穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)反相電源應(yīng)用，必須考慮以下一些設(shè)計(jì)限制。
降壓/升壓電路的最低輸入電壓必須高于ADP2384/ADP2386的UVLO電壓，使穩(wěn)壓器工作的典型值為4.5 V。最大輸入電壓與輸出電壓絕對(duì)值的和必須小于穩(wěn)壓器的最大工作輸入電壓VMAX，其典型值為20 V。此外，確保電感峰值電流小于穩(wěn)壓器的OCP觸發(fā)點(diǎn)，以便電路能夠正常工作。
為了將同步降壓穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電感和輸出電容須按照在降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的方式連接。注意，如圖4所示，接地點(diǎn)和輸出電壓點(diǎn)相反。
輸出電壓設(shè)置
輸出電壓通過(guò)一個(gè)外部電阻分壓器設(shè)定。可通過(guò)以下方程計(jì)算電阻值
FB偏置電流(最大0.1 A)會(huì)引起輸出電壓精度降低，要將降幅限制在0.5%(最大值)以內(nèi)，應(yīng)確保RBOT < 30 k 。
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表2列出了針對(duì)各種輸出電壓推薦的電阻分壓器。
電感選擇
電感值取決于工作頻率、輸入電壓和電感紋波電流。使用小電感可引起較快的瞬態(tài)響應(yīng)，但會(huì)因?yàn)殡姼屑y波電流較大而降低效率。使用大電感則會(huì)實(shí)現(xiàn)較小的紋波電流和較高的效率，但會(huì)導(dǎo)致瞬態(tài)響應(yīng)變慢。原則上講，電感紋波電流 IL通常設(shè)置為最大電感平均電流IAVG的30%。可通過(guò)以下方程計(jì)算電感值：
峰值電感電流也是內(nèi)部電源開(kāi)關(guān)的峰值電流，該開(kāi)關(guān)是用于確定是否產(chǎn)生電流限制的檢測(cè)元件。為避免過(guò)早產(chǎn)生電流限制，峰值電感電流不應(yīng)超過(guò)OCP閾值電流，即器件的IOCP。
考慮到這一最大峰值電感電流，反相降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中在600 kHz開(kāi)關(guān)頻率下用于共模輸入電壓的ADP2384/ADP2386應(yīng)用空間如圖5所示，其中假設(shè)峰峰值電感紋波電流為電感平均電流的40%。
電感的飽和電流必須大于峰值電感電流。對(duì)于具有快速飽和特性的鐵氧體磁芯電感，電感飽和電流額定值應(yīng)該大于開(kāi)關(guān)的限流閾值。這樣可以防止電感通過(guò)正常工作達(dá)到飽和點(diǎn)。
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輸出電容選擇
注意，輸出電流在反相降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中是非連續(xù)的。在接通時(shí)，隨著電感中儲(chǔ)存的能量增加，輸出電容向負(fù)載提供能量。在斷開(kāi)時(shí)，電感同時(shí)向負(fù)載和輸出電容提供能量。
輸出電容的電容值最大的問(wèn)題之一是容許的輸出電壓紋波，它取決于輸出電容的兩個(gè)參數(shù)：電容值以及輸出電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)。以下方程提供了讓輸出電壓紋波保持在容許范圍內(nèi)所需的最小電容估算值。
為了實(shí)現(xiàn)盡可能低的輸出紋波電壓，建議使用ESR值非常低的MLCC電容。所選輸出電容的均方根電流額定值應(yīng)大于下式計(jì)算值：
輸入電容選擇
注意，輸入電流在反相降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中也是非連續(xù)的。假設(shè)在接通時(shí)輸入電容的能量損耗所引起的輸入電壓偏差小于輸入電壓的5%，則通過(guò)下式可計(jì)算滿足此要求的最小輸入電容。
建議至少使用一個(gè)10 μF陶瓷電容，而且應(yīng)該盡可能靠近PVIN引腳放置。所選輸入電容的電流均方根值應(yīng)大于下式計(jì)算值。
雖然輸入電壓軌上的大多數(shù)電容都以系統(tǒng)接地為基準(zhǔn)，但在輸入電壓與ADP2384/ADP2386的GND引腳之間再放置一個(gè)輸入去耦電容可以減小輸出電壓紋波，并改善瞬態(tài)響應(yīng)性能，如圖6所示。
補(bǔ)償選擇
在反相降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中應(yīng)用同步降壓穩(wěn)壓器以產(chǎn)生負(fù)輸出電壓時(shí)，功率級(jí)傳遞函數(shù)會(huì)因?yàn)椴煌β孰娐吠負(fù)浣Y(jié)構(gòu)而發(fā)生變化。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定閉環(huán)，應(yīng)該重新設(shè)計(jì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的值。
降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中功率級(jí)的控制-輸出傳遞函數(shù)可寫(xiě)成以下形式：
傳遞函數(shù)GVD(s)有一個(gè)右半平面零點(diǎn)(RHPZ) fZ1、一個(gè)零點(diǎn)fZ2和一個(gè)極點(diǎn)fP。零點(diǎn)和極點(diǎn)的值分別為：
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使能信號(hào)電平轉(zhuǎn)換
ADP2384/ADP2386有一個(gè)EN引腳，用于使能和禁用穩(wěn)壓器。然而，在反相降壓/升壓應(yīng)用中，IC以負(fù)輸出電壓(而不是系統(tǒng)接地)為基準(zhǔn)。如果試圖禁用穩(wěn)壓器而將EN引腳連接至系統(tǒng)接地點(diǎn)，結(jié)果完全有可能是ADP2384/ADP2386仍在進(jìn)行切換。
為此，可能的解決方案之一是使用NPN和PNP晶體管加上若干電阻，并且通過(guò)合理連接形成EN電平轉(zhuǎn)換電路，如圖7所示。
注意，使用電平轉(zhuǎn)換電路時(shí)，ADP2384/ADP2386的精密使能特性不復(fù)存在。如果不需要使能功能，則只需將EN引腳連接到輸入電壓，如圖4所示。
啟動(dòng)前降低VOUT斜升
利用同步降壓穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)反相降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，可能出現(xiàn)的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是，輸出電壓斜升并在穩(wěn)壓器開(kāi)始工作前變?yōu)檎妷?，如圖8所示。
造成這種正輸出電壓斜升的原因是穩(wěn)壓器的關(guān)斷電流，此電流從IC的PGND引腳經(jīng)過(guò)低端MOSFET的體二極管，再回到系統(tǒng)接地點(diǎn)，如圖9所示。低端MOSFET的體二極管將VOUT箝位在體二極管的正向電壓水平，典型值通常在500 mV左右。
VOUT連接至穩(wěn)壓器的GND引腳，該引腳實(shí)際上是UVLO等內(nèi)部電路的基準(zhǔn)點(diǎn)，因此GND引腳所示的正電壓會(huì)降低UVLO閾值電壓。輸入電壓非常接近穩(wěn)壓器的UVLO閾值電壓(典型值為4.3 V)時(shí)，穩(wěn)壓器可能無(wú)法啟動(dòng)。
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幾乎所有同步降壓穩(wěn)壓器在用于實(shí)施本文所述的反相降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)都會(huì)出現(xiàn)此問(wèn)題，很難徹底消除。一種備選解決方案是減小反饋電阻分壓器的阻值，直到電阻分壓器兩端的壓降小于低端MOSFET體二極管的正向電壓。然后，關(guān)斷電流會(huì)經(jīng)過(guò)電阻分壓器，而非體二極管，如圖10所示，接著GND引腳上的正電壓就會(huì)降為可接受的值。
圖11顯示了減小電阻分壓器阻值的結(jié)果。正VOUT電壓從500 mV降至180 mV。
這種解決方案的弊端是系統(tǒng)的靜態(tài)電流會(huì)增加，因?yàn)榻?jīng)過(guò)反饋電阻分壓器的電流會(huì)隨著分壓器阻值的減小而增大。輕負(fù)載條件下的效率也會(huì)受到影響。
結(jié)論
在反相降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)ADP2384/ADP2386的方案可以像降壓方案一樣簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、小巧。本設(shè)計(jì)提供了在需要使能/禁用功能時(shí)可使用的EN電平轉(zhuǎn)換電路。還探討了在反相降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中應(yīng)用同步降壓穩(wěn)壓器時(shí)出現(xiàn)的VOUT斜升至正電壓的問(wèn)題。同時(shí)還針對(duì)此問(wèn)題提供了可能的解決方案。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可遵循本文中的設(shè)計(jì)方程和建議，便能確保設(shè)計(jì)出穩(wěn)健且滿足所有要求的方案。
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