如何為便攜式多媒體處理器供電

引言

在現代應用中，傳統的低壓降穩壓器(LDO)正逐漸被開(kāi)關(guān)電源(SMPS)所取代。雖然LDO是一個(gè)成本低廉而且強固耐用的電源解決方案，但是它耗電很大。越來(lái)越多的便攜設備廠(chǎng)商，像數碼相機、手機、PDA制造商，都在研究用效率更高的解決方案取代LDO的可行性。開(kāi)關(guān)解決方案的大小，即電源的物理尺寸，通常是這些廠(chǎng)商無(wú)法逾越的障礙。
STw4141是一個(gè)創(chuàng )新的開(kāi)關(guān)電源，只使用一個(gè)外接線(xiàn)圈就能產(chǎn)生兩個(gè)獨立的輸出電壓。因為其內在的開(kāi)關(guān)特性，這個(gè)芯片的效率很高，而且所需的外部組件數量極少。該產(chǎn)品的效率可以與兩個(gè)獨立的開(kāi)關(guān)電源媲美，尺寸相當于兩個(gè)獨立的LDO電源。因此，能夠取代便攜設備中的線(xiàn)性電源，或者縮減開(kāi)關(guān)穩壓器的物理尺寸和成本。

工作原理
先簡(jiǎn)要地了解一下傳統的降壓直流-直流轉換器，STw4141創(chuàng )新的雙輸出拓撲就是源自這種設計。圖1是一個(gè)簡(jiǎn)單的降壓轉換器的電路示意圖，圖2是其線(xiàn)圈電流的波形。降壓轉換器拓撲組件包括PMOS和NMOS組成的功率級、線(xiàn)圈L、輸出電容C和反饋控制回路。PMOS和NMOS以1/T的頻率反相開(kāi)關(guān)，占空比為D1.。當PMOS晶體管導通時(shí)，線(xiàn)圈電流開(kāi)始上升，斜率為：
(1) 當NMOS晶體管導通時(shí)，線(xiàn)圈電流開(kāi)始下降，斜率為：


圖1 降壓拓撲

(2) 在穩態(tài)過(guò)程中，下列條件必須有效：
(3)
(4) 公式3是指每個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始時(shí)的線(xiàn)圈電流IL必須等于每個(gè)時(shí)鐘周期結束時(shí)的線(xiàn)圈電流IL(否則系統不是穩態(tài))。從這個(gè)條件，我們可以得出降壓轉換器的占空比公式。
(5) 公式4指線(xiàn)圈產(chǎn)生的總電量必須等于負載消耗的總電量，假設所有的開(kāi)關(guān)和RDSon損耗忽略不計。


圖 2 線(xiàn)圈電流波形

對于雙輸出拓撲，在STw4141穩壓器中，線(xiàn)圈產(chǎn)生的電流分配給兩個(gè)輸出端，從這兩個(gè)輸出端口獲得的負載電流可以(實(shí)際上總是)完全不相關(guān)。因此，公式4的穩態(tài)條件必須改寫(xiě)成：
(6) 其中，Iload1 是負載從輸出1汲取的電流，Iload2 是負載從輸出2汲取的電流。


圖 3 STw4141拓撲

為了按照公式6分配電量，系統就需要增加兩個(gè)開(kāi)關(guān)MOS1和MOS2，如圖3所示。當MOS1導通時(shí)，線(xiàn)圈內貯存的電量就會(huì )傳送到輸出1；當MOS2導通時(shí)，線(xiàn)圈內貯存的電量就會(huì )傳送到輸出2。MOS1和MOS2以類(lèi)似于PMOS和NMOS的1/T頻率反相開(kāi)關(guān)，而占空比D2.不同于PMOS和NMOS的D1?？梢哉f(shuō)占空比D1是測量系統能夠傳輸的總電能的標準，而占空比D2則是測量?jì)蓚€(gè)輸出之間分配的總電能的標準。值得注意的最重要因素是，該系統只需一個(gè)線(xiàn)圈。
圖4是雙輸出拓撲線(xiàn)圈電流的波形。與傳統的降壓轉換器不同，雙輸出拓撲有三個(gè)主要相位：(Vbat-Vout2)/L上升斜率；-Vout2/L下降斜率；-Vout1/L下降斜率。在本例中，D2>D1，但是，當D2

圖4 線(xiàn)圈電流波形