更小硅幾何尺寸的不斷進步使嵌入式設(shè)備（尤其是微處理器）的工作電壓更低。處理器內(nèi)核的工作電壓現(xiàn)在低至 1.2 V，并迅速升至 0.8 V，這對設(shè)計人員如何有效地為這些設(shè)備供電提出了挑戰(zhàn)。與使用線性穩(wěn)壓器為低壓設(shè)備供電的傳統(tǒng)方法相反，在這些應用中使用開關(guān)穩(wěn)壓器可以幫助解決這個問題。根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)計人員可以使用各種架構(gòu)來最大限度地提高開關(guān)穩(wěn)壓器的效率。

典型的低功耗嵌入式處理器消耗 300-600 mA。在內(nèi)核電壓為 3.3 V 的老一代處理器中使用開關(guān)穩(wěn)壓器幾乎沒有什么好處。然而，降低核心電壓為提高效率提供了重要機會，尤其是在由鋰離子電池 （4.2 V） 或 5 V 軌供電時。例如，4.2 V 系統(tǒng)中的線性穩(wěn)壓器在調(diào)節(jié)到 1.2 V 時會浪費 1.8 W ［（4.2-1.2 V） x 600 mA］。相比之下，開關(guān)穩(wěn)壓器在相同電壓下的效率最高可達 95%條件，這會給系統(tǒng)增加大量的運行時間。

開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的潛在噪聲、輕負載時的低效率以及對更復雜控制的需求傳統(tǒng)上阻礙了設(shè)計人員將此類穩(wěn)壓器用于嵌入式處理器。此外，線性穩(wěn)壓器的占地面積更大，使線性穩(wěn)壓成為首選方法。盡管如此，設(shè)計人員仍可以采用多種技術(shù)來大大提高開關(guān)電源的效率，并使開關(guān)穩(wěn)壓器在不同類型的設(shè)計中可行。具有集成控制器、傳輸器件和補償組件的單個 IC 使開關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計密集度降低，實施起來更具成本效益。

標準降壓拓撲

一個簡單的降壓開關(guān)包括場效應晶體管 （FET）、二極管、電感器、電容器和控制器，如圖 1 所示。在此拓撲中調(diào)節(jié)輸出電壓涉及改變 FET 柵極上的占空比以增加或減少通過電感器的電流，一種稱為脈沖寬度調(diào)制 （PWM） 的方法。PWM 開關(guān)穩(wěn)壓器在滿載運行時的效率可高達 95% 以上。然而，當在輕負載下運行時，開關(guān)穩(wěn)壓器的效率會顯著下降，這對于在不斷變化的負載條件下運行或需要低電流或睡眠模式的系統(tǒng)來說是不可取的。

圖1

為了克服開關(guān)穩(wěn)壓器在輕負載條件下效率低下的問題，設(shè)計人員可以將穩(wěn)壓器置于脈沖跳躍或脈沖頻率調(diào)制 （PFM） 模式。在 PFM 模式下，開關(guān)穩(wěn)壓器中的 FET 僅在輸出電壓低于下限時工作。這減少了脈沖數(shù)量，進而減少了通過 FET、電感器和二極管的開關(guān)損耗，從而提高了輕負載條件下的效率。對于圖 2 所示的器件，穩(wěn)壓器以大約 100 mA 的電流從 PFM 轉(zhuǎn)換為 PWM，從而在整個輸出電流范圍內(nèi)最大限度地提高效率。

圖 2

在使用 PFM 穩(wěn)壓器進行設(shè)計時，設(shè)計人員必須考慮使用它的應用。由于切換器的頻率隨輸出負載而變化，因此切換頻率可能會降至音頻頻段，這可能會產(chǎn)生不良噪聲問題。幸運的是，當今市場上可用的某些工具可以確保頻率永遠不會進入音頻頻帶。盡管這些工具可能會導致輕負載下的效率略有下降，但它們可以為設(shè)計人員節(jié)省無數(shù)時間來消除噪聲問題。

同步拓撲

設(shè)計人員可以使用同步拓撲進一步提高開關(guān)的效率，如圖 3 所示。這種拓撲可以通過用低 R ds（on） FET 替換二極管來降低開關(guān)損耗和二極管的反向恢復損耗。

圖 3

在此拓撲中，同步切換的時序至關(guān)重要。如果兩個 FET 都導通，則每個周期都會損失功率，效率會受到影響。此外，設(shè)計人員必須考慮選擇哪些器件。例如，F(xiàn)ET 的柵極電容是一個重要的變量，因為它可以在控制器關(guān)閉 FET 后保持低側(cè) FET 導通。在柵極保持充電的短時間內(nèi)，輸入電源直接分流到地。R ds（on）和 FET 的柵極電容將對這種拓撲的效率影響最大；因此，優(yōu)化兩者很重要。

在上述拓撲中，當電路板空間非常有限時，使用更高的開關(guān)頻率可能是有利的。更高的開關(guān)頻率允許設(shè)計人員使用更小的無源元件，例如電感器和輸出電容器，這可以降低設(shè)計成本和整體占位面積。然而，這是以降低效率為代價的。當頻率增加時，F(xiàn)ET 開關(guān)的次數(shù)增加，這反過來又增加了損耗。此外，較小的電感器和電容器可能會在輸出電壓上產(chǎn)生較高的紋波。

多相拓撲

為了克服當今嚴格的紋波要求，同時保持嵌入式設(shè)計的效率，設(shè)計人員可以使用多相 DC-DC 開關(guān)。這種拓撲結(jié)構(gòu)可以降低開關(guān)損耗，同時有效提高穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率。

例如，考慮連接到負載 I load的單相 DC-DC 同步開關(guān)。通過每個 FET 的開關(guān)損耗為 I 2 R 或 I load 2 * R ds（on）。在多相設(shè)計中，每個 FET 的開關(guān)損耗相同。但是，每相中的電流除以相數(shù)。因此，可以通過以下方式降低兩相設(shè)計中的開關(guān)損耗：

此外，多相設(shè)計改善了穩(wěn)壓器的紋波電流和瞬態(tài)響應時間。這會增加成本和占位面積，因為必須為每相添加一個電感器和兩個 FET，并且控制器變得更大、更復雜。

縮小選項

電源效率是滿足便攜式產(chǎn)品延長電池壽命需求的關(guān)鍵。處理器制造商通過降低工作電壓來幫助這項工作，但電源必須適應以最大限度地提高效率。在決定最高效的電源時，檢查變量以確保電源滿足處理器要求非常重要。電源成本也必須是決策的一部分。

標準降壓開關(guān)在 PWM 模式下運行時可提供效率，并且比同步降壓更簡單，因此是一種更便宜的選擇。但是，二極管會產(chǎn)生電壓降，從而浪費一些功率。同步降壓使用 FET 代替二極管來降低此電壓降，從而提高效率但成本更高。

當處理器處于睡眠模式時，多模式穩(wěn)壓器通過從 PWM 切換到 PFM 來提高整個負載范圍內(nèi)的效率。這會增加一些輸出紋波電壓，但只要它保持在處理器的功率規(guī)格范圍內(nèi)，就會顯著提高電池壽命。多相穩(wěn)壓器在保持效率的同時消除了大部分輸出紋波電壓，但成本也更高。

設(shè)計人員在為嵌入式處理器設(shè)計電源時可以遵循這些指南。所有設(shè)計都需要權(quán)衡取舍，電源也不例外。考慮到任何設(shè)計的預算限制、電源要求和效率目標，這些策略將有助于縮小選擇范圍，以確定提供三者最佳折衷的電源。

作者：Brian Law，Greg Ferrell

審核編輯：郭婷