用于电源管理的稳压器

随着笔记本电脑和电话的尺寸越来越小，重量越来越轻，便携式电子产品变得越来越流行。这加强了系统设计人员对减小电子设备，特别是电源电路的尺寸和重量的关注。电路板空间、系统成本、元件数量、可用性和电池寿命等考虑因素变得越来越重要。事实上，电池寿命已成为便携式设备的一个关键卖点，因为用户可以期望今天的系统运行时间比两年前购买的系统长得多。

在实现成本节约的众多应用策略中，提高效率和减小尺寸是最重要的。使用最新的低压差稳压器 （LDO） 或快速开关稳压器减少了这些电源中的能量损失，为系统的其余部分工作留下了更多能量。新的电池技术也达到了相同的目的，要么在不减少容量的情况下减小尺寸，要么在保持相同尺寸（和重量）的同时提高容量。待机（或睡眠）模式是有意义的，特别是当电源转换在本地发生时，接近相应的负载。因此，系统可以关闭未使用的部分，例如笔记本电脑中的硬盘驱动器或手机中的发射器。

较新的稳压器使设计人员能够减小整个系统解决方案的尺寸和总体成本，因为它们还可以使用更小、更便宜的外部元件，例如电容器和电感器。

简单的线性稳压器已经存在了很长时间;但是，尽管它们的成本较低，但它们的压差（调整管两端的最小压降）相对较高，通常在1.5至3 V之间。低压差稳压器（LDO）的开发是一项重大改进，压差低至每0 mA负载电流1.0 V至4.100 V，可将稳压器功耗降低约90%。除了比上述简单稳压器更低的耗散外，还可以使用较低电压的电池，或者电池可以在需要更换或充电之前放电到较低的电压。这意味着更长的运行时间。

ADI公司的低压差稳压器包括：

通用ADM66x系列和ADP3367，压差范围为1 V至100 mV/100 mA。

新一代高性能、精度±0.5%的任意电容器™LDO稳压器ADP3300、ADP3301和ADP3303用于50、100和250 mA满量程输出，压差电平为每100 mA200或100 mV。

ADP100是ADP3301的双通道3302 mA版本，具有相同的±0.5%精度和120 mV低压差。

传统 LDO 需要一个体积庞大、昂贵的 10μF 负载电容器，具有精心挑选的等效串联电阻 （ESR）;ADP330x系列可以使用多种电容类型和值工作，典型的例子可能是0.47 μF、低成本多层陶瓷电容。这项重要技术已获得专利，并已获得商标“anyCAP™".

LDO比传统的线性稳压器效率更高，并延长了电池的有用工作电压，但它们的压降浪费了宝贵的功率[W = (V在—V外， r我L].所有线性稳压器都需要高于输出电压的输入电压;他们只能调节到期望的值，永远无法提升到它。因此，为了提高效率，以及输出电压超过输入电压或变为负值的灵活性，设计人员必须转向开关模式或开关电容稳压器或转换器。

通过消除调整管的耗散，开关模式稳压器电路[见侧栏]的效率可以达到90%以上。因此，更多的电池能量流向供电设备，从而延长工作时间。然而，在获得高效率方面，开关模式稳压器也带来了一些挑战。例如，对磁性元件的需求增加了电源的整体尺寸和重量，这两者都在便携式设备设计中可能至关重要;这也增加了系统成本。

为了尽量减少这些问题，开关频率被推高（在某些情况下高达1 MHz），以减小电感器和电容器的尺寸。然而，开关稳压器还有另一个问题：在脉冲频率调制（PFM）或脉宽调制（PWM）下工作。1切换电流时会产生模式、输入和输出纹波以及电噪声（电磁干扰或 EMI）。2因此，根据应用的不同，开关模式稳压器可能需要滤波器来平滑输出纹波和/或屏蔽以抑制EMI。然而，开关模式稳压器的较高效率使其在笔记本电脑等应用中很受欢迎。

ADI公司推出的开关稳压器之一是ADP3000（见侧栏）。它可以在升压、降压和逆变器模式下工作。在升压模式下，它接受2 V至12 V的输入电压，在降压模式下，输入电压高达30 V。 提供 3.3 V、5 V 和 12 V 的固定电压以及可调输出。

几个关键特性使该器件非常适合便携式电池供电应用。例如，它在静态或待机模式下仅消耗500 μA电流。400kHz 开关频率意味着只需要一个小的外部电感器。在大多数情况下，最小的电感（2.2 μH至15 μH，峰值电流为1 A）就足够了。其他关键特性包括低输出电压纹波3— 40.3V 输出时低于 3mV 峰峰值 — 可调电流限制，以及可用作低电池电量检测器、线性稳压器、电压锁定或误差放大器的辅助放大器。下面的示例将展示如何在实际应用程序中使用这些功能。

开关电容电压转换器是避免LDO相关损耗的另一种技术。一个例子是最近推出的具有稳压输出的开关电容电压逆变器ADP3604。该器件提供稳压，电压损耗最小，外部元件极少，无需电感器或变压器。ADP240采用120 kHz内部振荡器产生3604 kHz开关频率，与ADM660和ADM8660等早期设计相比，使用更小、更便宜的电容。它接受+4.5 V至+6.0 V的输入电压，产生3 V的输出电压，精度±3%，输出电流高达120 mA。

如上所述，电池技术也取得了长足的进步。虽然过去使用不多，但锂离子（Li-ion）类型成为许多近期应用的首选电池，原因很充分：它们具有最佳的能量密度（充电容量与重量之比），并且由于自放电电流非常低，它们的待机时间很长。但它们确实有一种行为，使得它们在没有复杂的电子设备的情况下很难使用。它们的输出电压在放电期间不断下降。与Ni-Cd或NiMH电池不同，镍镉或镍氢电池具有漫长的平台期，然后在容量结束时急剧下降（图1），锂离子电池的起始电压为4.1 V至4.2 V（取决于化学成分和特定制造商）;然后，当它被放电时，电压几乎线性下降到大约2.5 V.超过该点，由于进一步放电会损坏电池，因此需要充电。

图1.典型的电池放电曲线。水平线表示所需的 3V 恒定输出。

图2所示电路设计用于从单个锂离子电池产生两个恒定的3 V输出，每个输出高达100 mA。在 1.4 至 2.2 V 的输入范围内，输出保持在 ±7% 以内，每个输出的负载范围为 0 至 100 mA，工作温度为 — 40 至 +85°C。 该电路具有自动关断功能，可在输入电压降至2.5 V时保护电池。

图2.使用锂离子电池维持两个3 V输出的稳压器

当输入始终小于+3 V时，使用LDO或降压稳压器（当输入始终大于+3 V输出时）或升压稳压器时，可通过变化的输入电压产生恒定的+3 V输出。例如，在延长使用寿命内从单个锂离子电池产生+3 V输出，当输入低于3.1 V时，必须提供升压，并在该电压以上降压。有几种方法可以做到这一点。例如，ADP1147型降压型开关稳压器可用于反激式模式。缺点是输入和输出上的纹波。或者，ADP3000可用于数据手册所示的单端初级电感转换器电路（SEPIC），使用两个电感;它的弱点是相当大的涟漪。图3000所示的ADP2电路采用双输出LDOADP3302，经过优化，可采用最小的6.8 μH屏蔽电感供电，以节省空间和资金。更小、更便宜的是开路电感器（棒型），当电源电路的环境对EMI不敏感时，可以使用。

以下是电路的工作原理：最初，电池已充满电。输入电压远高于3 V，开关稳压器ADP3000处于空闲模式，因为Fb（ADP3000，引脚8）处的电压高于基准电压（1.245 V）。LDO （ADP3302）将输出电压调节在3 V。负载电流（高达 2 × 100 mA）稳定流过电感器（电阻为 0.12 欧姆）和肖特基二极管 （D1），正向电压为 0.2 V <总压降约为 0.23 V。

随着电池电压随时间降低，Fb处的电压成比例降低。当输入降至约3.7 V以下时，Fb处的电压低于1.245 V基准电压（分压器R9-R10）。内部比较器改变状态，ADP3000的振荡器启动;由电感和二极管组成的升压转换器开始将能量传输到电容器C3，以将Fb电压保持在1.245 V左右。电池电压降越低，需要传输的能量就越多，从而导致开关频率增加，在关断前（100.2 V）达到远高于5 kHz，满负载为200 mA4.

ADP3000（引脚7）的SET输入通过R1-R2分压器持续监控输入电压。当电压降至2.53 V以下（介于2.74 V和2.53 V之间，取决于ADP3000内部的基准电压源）时，Ao（引脚6）将进入逻辑低电平，通过将SD3302和SD1（引脚2和6）拉至地来关断ADP7 LDO稳压器。同时，晶体管导通（分压器R5-R6）以上拉Fb并确保振荡器关闭。ADP500的电池剩余负载电流仅为3000 μA，外加一个连接到Ao的可选micro-LED，作为向用户发出的电池耗尽警报（虚线）。

33nF 电容器 （C2） 用于滤波从电源电压到敏感反馈点 Fb 的馈通。120欧姆电阻器（R4），连接到I林，限制开关电流以降低对电感器额定电流的要求，同时降低输出纹波和所需电容。

审核编辑：郭婷