DC-DC-LDO-Charge-Pump等电源变换

PowerRegulator一、LDO1、LDO的内部结构及工作原理LDO内部模块图如上图所示，LDO内部功能与逻辑模块主要分为以下几部分：（1）OM/OFFControl开关控制逻辑；控制LDO的输出；（2）PMOS管：控制LDO的电流输出；（3）R1/R2：电压反馈电路：经过R1/R2对VOUT输出电压分压厚反馈的误差放大器；（4）VoltageReference：参考电压：输出电压反馈的参考基准；（5）ErrorAmplifier：放大输出电压反馈值与与参考电压的差，经放大后反馈到LDO控制电路中；（6）CurrentLimit:由固定限流电路与监听电路组成，当LDO负载电流达到最大值或者短路时，输出短路时，固定限流电路启动，输出电压降低；同时监听电路启动，输出电压和电流进一步降低；2、相关参数的定义，选件时的注意事项（１）Ｖout输出电压负载瞬态响应；（２）DropoutVoltage；（３）；CurrentLimiter:限定额定输出电流：50到500ma,根据具体设计规格确认；（５）PSSR电源纹波抑制比：；６５到７０dB;（5）SupplyCurrent工作消耗电流；２５ＵＡ（６）StandbyCurrent待机电流：０．０１ＵＡ；（７）Short-CircuitCurrent输出短路电流:30ma;（８）EN控制逻辑：EN工作电平规范，EN高电平使能输出还是低电平使能；（９）：Vin:输入电压，LDO输入电压的有效范围；Vin=Vout+Vs，这里Ｖs是输入电压与输出电压的差，从公式中可以看出，LDＯ只有降低输入电压调低输出的功能，不能高于或者等于，和具体ＰＭＯＳ管工艺有关；3、输入输出电容的作用及容值的计算（１）输入电容：为确保稳定的电源输入，建议采用1UF的电容靠近LDO的Vin、GND管脚放置连接；（２）输出电容：为确保输出电压相位补偿的效率，常采用低ESR的X5R或者X7R的电容，电容的最小值为１UF，而且要尽可能靠近LDO的Vout、GND管脚放置连接。二、Chargepump1、Chargepump的内部结构及工作原理（1）电荷泵的结构电容式电荷泵内部结构电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升，采用电容器来贮存能量。由于工作于较高的频率，因此可使用小型陶瓷电容(1UF)，使空间占用小，使用成本低。电荷泵仅用外部电容即可提供±2倍的输出电压。其损耗主要来自电容器的ESR(等效串联电阻)和内部开关晶体管的RDS(ON)。电荷泵转换器不使用电感，因此其辐射EMI可以忽略。输入端噪声可用一只小型电容滤除。电荷泵的输出电压是工厂生产精密预置的,调整能力是通过后端片上线性调整器实现的。2、相关参数的定义，选件时的注意事项（1）Vin输入电压：从下图可以看出，Vout=5条件下，Vin电压越低，电荷泵的转化效率越高，但是有一个最小的输入电压Vin-min=2.7V,当Vin低于2.7V时，电荷泵输出不能满足预定的Vout=5V的要求；（2）LoadCurrent负载电流：结合上图发现，Vin和Vout确定后，负载电流变大到一定程度，转化效率会变低，同时还可以看到，Vin较低时，负载电流变大时，转化效率很快变低。（3）OscillatorFrequency振荡器频率：振荡器是电荷泵控制开关阵列的核心，振荡器工作频率越高，电荷泵的转化效率也越高，在输入电压Vin较低，输出电流Iout较大的情况下，振荡器容易工作在最高的工作频率，也就是说进入了饱和工作状态，电荷泵也达到了正常功能的极限。（4）Iout输出电流：如下图所示，输入电压Vin较低时，电荷泵容易进入工作饱和状态，不能提供较大的负载电流，当负载比较大时，电荷泵工作效率迅速降低而停止工作。3、如何选择电荷泵一、效率优先，兼顾尺寸如果需要兼顾效率和占用的PCB面积大小时，可考虑选用电荷泵。例如电池供电的应用中，效率的提高将直接转变为工作时间的有效延长。通常电荷泵可实现90%的峰值效率，更重要的是外围只需少数几个电容器，而不需要功率电感器、续流二极管及MOSFET。这一点对于降低自身功耗，减少尺寸、BOM材料清单和成本等至关重要。二、输出电流的局限性电荷泵转换器所能达到的输出负载电流一般低于300mA，输出电压低于6V。多用于体积受限、效率要求较高，且具有低成本的场合。换言之，对于300mA以下的输出电流和90%左右的转换效率，无电感型电荷泵DC/DC转换器可视为一种成本经济且空间利用率较高的方式。然而，如果要求输出负载电流、输出电压较大，那么应使用电感开关转换器，同步整流等DC/DC转换拓扑。三、较低的输出纹波和噪声大多数的电荷泵转换器通过使用一对集成电荷泵环路，工作在相位差为180度的情形，这样的好处是最大限度地降低输出电压纹波，从而有效避免因在输出端增加滤波处理而导致的成本增加。而且，与具有相同输出电流的等效电感开关转换器相比，电荷泵产生的噪声更低些。对于RF或其它低噪声应用，这一点使其无疑更具竞争优势。三、DC/DCBoost1、DC/DCBoost的功能模块框图（1）DC/DC芯片都集成一个内置的振荡器OSC，在每个振荡周期的起始，NMOS管导通。（2）CurrentSense电路采样NMOS的电流；（3）FB反馈电压与参考基准电压一通送进误差放大器；（4）误差放大器在整个环路的稳定中起到了重要的作用，如果反馈电压比较低，误差放大器的输出电压增大，将导致NMOS开启的时间更长，有更多的电流被传递至输出端，如果反馈电压较高，误差放大器的输出电压减小，将导致NMOS的开启时间变短，将会有更少的电流被传递至输出端。2、相关参数数的定义（1）输入电压Vin：在一定范围内，输入电压和输出电流与DC/DC的效率成正向关系，影响不太明显；但是当Vin的电压低于最小值（2.7V）时DC/DC不能正常工作；（2）PWM使能信号的DutyCycle：WLED的电流仅受PWMDutyCycle的影响，但是和PWM信号的频率基本没有关系，原因是在反馈电阻确定后，WLED的最大工作电流已经恒定下来，平均电流进去决于PWM信号的占空比；（3）输出电压Vout：输出电压的波形是锯齿状，是由DC/DC的工作机理决定的，因而输出电压携带有大量的谐波，严重干扰周边的易感信号，故需要对DC/DC电路和其他电路作一定的隔离；（4）输出电流Iout：从下图可以看出，输入电压Vin越低，在Iout相同的情况下，装换效率也偏低，同时所能提供的最大电流也偏小；（5）NMOS开启的最大占空比MaxDutyRatio：当Vfb=0V时（也就是没有电流反馈）电压时，控制NMOS开启的最大占空比一般为95%;（6）软启动SoftStart：软启动可以缓慢提升输出电压Vout,逐步增大输入电流Iin，从而降低对电源纹波的影响；3、选件时的注意事项（1）电感器的选择对于大多数应用，推荐采用一个22uH的电感器。要求该电感在900Khz的条件下具有低磁芯损耗和低的DCR（铜线电阻）。（2）电容器的选择电容选择主要基于输出电压的纹波变化需求，其输出电压纹波的计算公式如下所示：陶瓷电容因其小巧的外形尺寸而成为DC/DC芯片应用的理想选择。推荐使用X5R和X7R型陶瓷电容器，因为这两种电容器能够在更宽的电压和温度范围内保持其电容值不变。对于大多数应用来说，采用一个1μF的输入电容和一个0.22μF的输出电容就够了。（3）二极管的选择对于二极管的要求是要有正向电压低和反向恢复快的特性，因而肖特基二极管是一个比较好的选择。1肖特基二极管的正向压降代表了二极管中的传导损耗；2而二极管电容代表了开关损耗；正向压降和二极管电容都是需要考虑的，额定电流较高的肖特基二极管通常具有较低的正向压降和较大的二极管电容；3脉冲峰值电流也是一重要参数；因此，对于大多数应用来说，要根据实际应用的输出电压和电流来选择相应的肖特基二极管。四、Step-DownConverter1、Step-DownConverter的功能模块框图（1）Step-DownConverter芯片都集成一个两个MOS管，PMOS与NMOS管在控制逻辑控制，交替工作，给外部电路供电。（2）内部分压电阻对Vout进采样，并且把反馈电压去与参考电压一同送到误差放大器中，然后误差放大信号被送到控制逻辑模块，调整内部控制信号的DutyRatio（占空比）。（3）误差放大器在整个环路的稳定中起到了重要的作用，如果反馈电压比较低，误差放大器的输出电压增大，将导致PMOS管开启的时间更长，有更多的电流被传递至输出端，如果反馈电压较高，误差放大器的输出电压减小，将导致NMOS的开启时间变短，将会有更少的电流被传递至输出端。2、相关参数数的定义（1）输入电压Vin：从下图可以看出，Step-DownConverter仅具有降压功能，当Vin低于一定工作电压是，Vout将没有输出；手机上常用的Step-DownConverter的理想输入电压是4.2V，此时振荡其的频率误差也最小；当Vin电压越高时，Step-DownConverter的空载静态功耗越大；（2）输出电压纹波OutputRipple：从下图中可以看出，电感以锯齿形状向外输出电流，导致输出电压Vout带有一定频率电压纹波，Step-DownConverter也是一电信号干扰源，要和其他敏感信号隔离开；