集成功率无源器件和战术权衡以提高功率效率：电源管理和开关电源

为了寻求更小、更薄、更强大的器件，设计人员需要减小功率无源器件、电感器和电容器的尺寸。本应用笔记探讨了矛盾的工程权衡，重点介绍电源管理和开关电源。在讨论了开关和滤波损耗、开关毛刺、死区时间和击穿之后，讨论转向使用集成IC解决电源效率问题的技巧。

介绍

功率无源器件、电感器和电容器在当今的消费类产品中占有重要地位。与今天随处可见的微型薄手机和平板电脑相比，这在物理尺寸上是很大的。工程师要做什么？我们必须聪明并应用科学方法。似乎我每周都会听到这个。“让我们减小开关电源尺寸并提高效率”，这通常意味着增加更多的电池工作时间。当然，这是个好主意，但我们仍然需要减少物理空间。解决这一困境的一个有希望的方法是攻击权力被动，因为它们的规模相对较大。

我们从这个由两部分组成的系列开始，探讨了许多矛盾、不协调和矛盾的工程权衡。第 1 部分侧重于广泛的知识，就像交响乐指挥一样，优秀的设计师必须具备这些知识才能确保一个集成良好、节能的解决方案。交响乐指挥必须了解每种乐器和每个音乐家的声音和能力，以指导和谐的作品。他巧妙地将音乐交织在一起，增加了观众的喜悦，并创造了回头客。是的，这对我们来说是一个很好的榜样。

为什么要专注于开关电源？

电器的趋势是小型、轻便、轻薄和节能，具有许多“酷”功能。对于便携式消费设备、超薄大屏幕电视，甚至对于洗碗机、洗衣机和干衣机等白色家电来说，情况也是如此。消费者需要更持久的电池来运行和更快的充电。这些问题真正体现在电源管理和电池上。电池技术有望取得突破性进展，但由于化学问题难以快速解决，这些进展缓慢。因此，我们必须集中精力解决管理问题。线性模拟稳压器电源必须将多余的电压转化为热量，开关电源能够以最小的损耗转换电压。

最初的想法是节省电力。首先，我们必须瞄准纳安，这样我们就不需要那么多的功率了。虽然有许多技术可以节省分立元件的功耗，但还有更多技术可以在集成电路（IC）中使用。其次，我们必须将无源器件置于混合IC封装内。我们可能会在里面放置一两个分立元件，但肯定不是 10 个。让我们试试。第三，我们必须问我们能有多小，这在逻辑上就像问在不牺牲效率的情况下，我们可以达到多高的频率。我们能否获得足够高的频率，以便我们实际上可以使用键合线或片上电容器？

开关电源有多种类型，但在本应用笔记中，我们将重点介绍降压电源。这需要更高的电压并将其降低到较低的电压。我们的重点是小电源，小于几安培，电压低于10V。小巧、轻便、高效的电源是消费类和便携式电池设备中的标志。

首先了解功率开关损耗

功率损耗（主要是热量）发生在两个方面：开关损耗和滤波损耗。开关损耗在导通和实际开关时间;当将纹波降低到可接受的水平时，就会发生滤波器损耗。

传导损耗是晶体管中的功率损耗，因为它们在导通条件下具有较小的电阻。请记住，没有电阻的短路是不可能的，因为即使是机械开关也有一些电阻。双极结（BJT）和金属氧化物半导体（MOS）晶体管可用于不同的应用。在本应用笔记中，我们重点介绍互补MOS（CMOS）晶体管，因为它们是最常见的集成元件。一种权衡是具有低漏极源极导通电阻（R德森） 往往在物理上更大，切换缓慢。小模式CMOS晶体管速度快，但R更高德森.在IC内部，我们可以并联许多小型CMOS晶体管以降低R德森但是，当然，我们永远不会白白得到一些东西。很快，并联器件的电容、电阻和电感开始减慢开关速度。

开关损耗与打开和关闭晶体管所需的时间有关，损耗可能相当可观。显然，我们必须更快地切换，但是如何切换呢？由于需要对电感和电容进行充电和放电，因此存在限制。最终，随着开关速度达到最短时间并且频率上升，我们达到了一个点，即我们具有所有开关，上升和下降时间，并且没有“准时”。到那时，效率已经完全消失了。

让我们通过引入死区时间和射击预防来使问题更加复杂。3, 4在图1中，顶部和底部晶体管不能同时导通，否则电源接地短路。要非常小心地确保栅极驱动信号的时机正确，以防止这种情况发生。由于工艺变化，当两个晶体管都关断时，设计人员会在波形中强制设置较短的死区时间。从可用时间段中减去该时间，进一步降低可能的最高开关频率。死区时间并不总是足以阻止所有击穿。或者，所需的死区时间太长，在最坏的情况下，开关效率会受到影响。当两个输出器件都导通时（例如，电路故障或瞬态，如负载突然变化），就会发生直通事件。击穿最常见于交越（死区时间）附近，此时晶体管几乎完全打开或关闭。此时的瞬态可以部分或完全驱动两个晶体管导通。

图1.CMOS开关电源输出级。

现在让我们堆积另一个相互冲突的要求，其中“治愈”浪费能量并实际产生热量。开关毛刺主要在输出端形成阻抗失配。对于负载变化很大的通用电源，有时很难消除开关毛刺。因此，添加了瞬态缓冲器。瞬态缓冲器通常由电阻器、电感器、电容器（有时还包括二极管）组成。缓冲器用于减少可能损坏输出晶体管和其他元件的开关瞬变。然而，缓冲器不擅长将多余的能量返回电路以提高效率。相反，它们将能量转化为热量。

滤波损耗通常由负载可以承受的纹波量定义。由于其数字阈值，数字电路可以承受更多的纹波。5模拟电路甚至无法承受少量纹波。

电感和电容器尺寸与频率有关。随着频率的增加，电感和电容器缩小。想想大口大口地喝一大杯苏打水的类比——这可能是“男子气概”的事情，但一个孩子可以在许多小口中做同样的工作。传输的总功率是相同的，但小电感器和电容器可以在更高的频率下实现，并且通过适当的设计，所需的低通滤波和功率损失更少。

启动电源设计

现在有一些好消息。上述开关损耗对于具有多个分立元件的大型电源来说非常具有挑战性。这些供应必须适应各种条件。然而，IC内部定义明确、高度集成的电源使设计人员能够控制、仿真和定制一些特殊的电路拓扑。如果您知道一些交易技巧，那么设计并不难。

了解应用程序

首先，我们必须收集有关设计的信息并彻底定义问题。练习中包括有关所需每个电压和电流的详细信息。公差、精度、负载和线路调整率是多少？最重要的是，真正需要什么电压？如果电压不需要严格的容差，电阻分压器和阻抗转换器（如晶体管或运算放大器）能胜任这项工作吗？

由于几个原因，热量是一个主要问题。必须散热以防止设备过热。例如，当手机被留在阳光下并密封在封闭的汽车中时，这可能是一个非常困难的挑战。此外，过热产生的任何热量都会浪费电池寿命，并需要更频繁地为电池充电。没有人想要这样。收费间隔时间是消费者最关心的问题。因此，效率很重要。

开关还是线性？

现在我们需要决定如何将电源划分为开关配置和线性配置。提高开关电源效率的最佳方法是了解电源电压（通常是电池和充电电压下的电池）和负载变化。最高效的开关稳压器是负载电流变化不大的开关稳压器。减小电感和电容物理尺寸的一种简单方法是提高开关频率。6

让我们举个例子，一台专用计算机在不同操作模式下所需的功率差异很大。我们可以想到两个具有相似要求的应用：卫星接收器和监控物理过程的计算机，也许在工厂内部。这两种情况都会间歇性地使用硬盘进行低成本存储。为了节省能源并延长光盘寿命，磁盘可以旋转。我们规定光盘必须能够在 20 秒内旋转并准备好读取或写入。这意味着卫星接收器必须提供至少 20 秒的半导体存储器，以便操作员的任何命令都显示为操作的无缝部分。过程监控设备必须有足够的内存，以便数据可以间歇性地记录在硬盘上，同时最大限度地减少将光盘旋转到速度的必要性。另一种操作模式可能是深度睡眠，它需要最少的功率。在这里，卫星接收器或工厂进程在夜间不使用。无论哪种情况，都必须适应每种操作模式以保持最高效率。

交易的集成技巧 — 思考“IC 内部”

通用开关和线性三端稳压器需要在很宽的极端电流消耗下工作，因为设计人员无法预测它们的使用方式或地点。当我们知道确切的应用时，我们可以定制电路并优化效率。例如，制造通用稳压器的简单方法是将其限制在低带宽以防止振荡。然后，我们依靠去耦电容器来提供快速的高频瞬态电流;稳压器提供较慢的平均电流。这通常是一个很好的设计权衡，因为IC附近的小本地电容可以减轻IC和稳压器之间连接的电阻和电感损耗。

对于音频放大器中的已知负载，采用了不同的策略：使用更宽带宽的功率调节。最简单的例子是将基准电压扇出到许多放大阶段。在这种方法中，可以使用运算放大器来隔离小电路部分并防止相互作用。

最小化去耦电容尺寸的另一种方法是在放大器的输入端放置一个相对较小的电容，并利用增益来增加电容的有效尺寸（即米勒效应）7).

想想晶体管。IC的优点是其所有晶体管都是通过照相过程同时制造的。这确保了参数的紧密匹配，比在不同时间制造的分立晶体管更接近。图1中的输出级如果匹配良好，可以添加两个晶体管。顶部晶体管和底部晶体管分别成为级联配置中的两个晶体管。由于晶体管施加的电压只有晶体管的一半，因此可以更轻松地控制它们，以提高开关速度和效率。单个芯片上匹配良好的晶体管电路可以更轻松地控制寄生电容，从而控制时间延迟，以减少死区时间并控制多个电源的相位和时序。

另一个“IC内部”选项起初听起来很愚蠢 - 直到我们进行数学和模拟。例如，我们有一个5V电源，想要制造2.5V和1.2V电源。传统思维认为我们构建两个并联电源，5V至2.5V和5V至1.2V。在高频（即30MHz至100MHz）下，滤波器或纹波损耗与开关损耗相比减小。人们必须进行数学计算，看看级联供应是否会减少损失。级联电源实际上意味着5V变为2.5V，然后2.5V电源变为1.2V。本质上，1.2V电源的两步进存在双转换和双效率损耗。简单地说，5V至2.5V电源必须通过2.5V下使用的所有电流加上1.2V下使用的所有电流。现在可能会发生一些令人惊讶的事情，因为与并联条件相比，1.2V电源晶体管两端的电压只有一半：它们的开关损耗下降，特别是当负载足够轻以使级联对更有效时。

在IC中制造干净的电源，然后通过电流镜为多个电路供电是很常见的。许多设计人员使用相同的npn晶体管，因为它们是同时制造的，具有相同的工艺，并且具有相同的V是电压下降。通过将基极连接在一起，每个发射极可以将相同的电压分配到许多不同的电路级。由于我们正在复制清洁电源，因此去耦电容器的数量大大减少。

结论

交响乐指挥协调乐器，以产生和谐，干净和愉快的音乐呈现。项目工程师控制功率参数，从而形成一个令最终用户满意的和谐、高效的系统。对于指挥和工程师来说，魔鬼在细节中。我们的指挥必须能够识别出完美的乐器演绎和糟糕的乐器演绎。我们的设计工程师必须能够识别电源结构中可能对整个设备产生负面影响的微小缺陷。

审核编辑：郭婷