為了尋求更小、更薄、更強大的器件，設計人員需要減小功率無源器件、電感器和電容器的尺寸。本應用筆記探討了矛盾的工程權衡，重點介紹電源管理和開關電源。在討論了開關和濾波損耗、開關毛刺、死區時間和擊穿之后，討論轉向使用集成IC解決電源效率問題的技巧。

介紹

功率無源器件、電感器和電容器在當今的消費類產品中占有重要地位。與今天隨處可見的微型薄手機和平板電腦相比，這在物理尺寸上是很大的。工程師要做什么？我們必須聰明并應用科學方法。似乎我每周都會聽到這個。“讓我們減小開關電源尺寸并提高效率”，這通常意味著增加更多的電池工作時間。當然，這是個好主意，但我們仍然需要減少物理空間。解決這一困境的一個有希望的方法是攻擊權力被動，因為它們的規模相對較大。

我們從這個由兩部分組成的系列開始，探討了許多矛盾、不協調和矛盾的工程權衡。第 1 部分側重于廣泛的知識，就像交響樂指揮一樣，優秀的設計師必須具備這些知識才能確保一個集成良好、節能的解決方案。交響樂指揮必須了解每種樂器和每個音樂家的聲音和能力，以指導和諧的作品。他巧妙地將音樂交織在一起，增加了觀眾的喜悅，并創造了回頭客。是的，這對我們來說是一個很好的榜樣。

為什么要專注于開關電源？

電器的趨勢是小型、輕便、輕薄和節能，具有許多“酷”功能。對于便攜式消費設備、超薄大屏幕電視，甚至對于洗碗機、洗衣機和干衣機等白色家電來說，情況也是如此。消費者需要更持久的電池來運行和更快的充電。這些問題真正體現在電源管理和電池上。電池技術有望取得突破性進展，但由于化學問題難以快速解決，這些進展緩慢。因此，我們必須集中精力解決管理問題。線性模擬穩壓器電源必須將多余的電壓轉化為熱量，開關電源能夠以最小的損耗轉換電壓。

最初的想法是節省電力。首先，我們必須瞄準納安，這樣我們就不需要那么多的功率了。雖然有許多技術可以節省分立元件的功耗，但還有更多技術可以在集成電路（IC）中使用。其次，我們必須將無源器件置于混合IC封裝內。我們可能會在里面放置一兩個分立元件，但肯定不是 10 個。讓我們試試。第三，我們必須問我們能有多小，這在邏輯上就像問在不犧牲效率的情況下，我們可以達到多高的頻率。我們能否獲得足夠高的頻率，以便我們實際上可以使用鍵合線或片上電容器？

開關電源有多種類型，但在本應用筆記中，我們將重點介紹降壓電源。這需要更高的電壓并將其降低到較低的電壓。我們的重點是小電源，小于幾安培，電壓低于10V。小巧、輕便、高效的電源是消費類和便攜式電池設備中的標志。1, 2

首先了解功率開關損耗

功率損耗（主要是熱量）發生在兩個方面：開關損耗和濾波損耗。開關損耗在導通和實際開關時間;當將紋波降低到可接受的水平時，就會發生濾波器損耗。

傳導損耗是晶體管中的功率損耗，因為它們在導通條件下具有較小的電阻。請記住，沒有電阻的短路是不可能的，因為即使是機械開關也有一些電阻。雙極結（BJT）和金屬氧化物半導體（MOS）晶體管可用于不同的應用。在本應用筆記中，我們重點介紹互補MOS（CMOS）晶體管，因為它們是最常見的集成元件。一種權衡是具有低漏極源極導通電阻（R德森） 往往在物理上更大，切換緩慢。小模式CMOS晶體管速度快，但R更高德森.在IC內部，我們可以并聯許多小型CMOS晶體管以降低R德森但是，當然，我們永遠不會白白得到一些東西。很快，并聯器件的電容、電阻和電感開始減慢開關速度。

開關損耗與打開和關閉晶體管所需的時間有關，損耗可能相當可觀。顯然，我們必須更快地切換，但是如何切換呢？由于需要對電感和電容進行充電和放電，因此存在限制。最終，隨著開關速度達到最短時間并且頻率上升，我們達到了一個點，即我們具有所有開關，上升和下降時間，并且沒有“準時”。到那時，效率已經完全消失了。

讓我們通過引入死區時間和射擊預防來使問題更加復雜。3, 4在圖1中，頂部和底部晶體管不能同時導通，否則電源接地短路。要非常小心地確保柵極驅動信號的時機正確，以防止這種情況發生。由于工藝變化，當兩個晶體管都關斷時，設計人員會在波形中強制設置較短的死區時間。從可用時間段中減去該時間，進一步降低可能的最高開關頻率。死區時間并不總是足以阻止所有擊穿。或者，所需的死區時間太長，在最壞的情況下，開關效率會受到影響。當兩個輸出器件都導通時（例如，電路故障或瞬態，如負載突然變化），就會發生直通事件。擊穿最常見于交越（死區時間）附近，此時晶體管幾乎完全打開或關閉。此時的瞬態可以部分或完全驅動兩個晶體管導通。

圖1.CMOS開關電源輸出級。

現在讓我們堆積另一個相互沖突的要求，其中“治愈”浪費能量并實際產生熱量。開關毛刺主要在輸出端形成阻抗失配。對于負載變化很大的通用電源，有時很難消除開關毛刺。因此，添加了瞬態緩沖器。瞬態緩沖器通常由電阻器、電感器、電容器（有時還包括二極管）組成。緩沖器用于減少可能損壞輸出晶體管和其他元件的開關瞬變。然而，緩沖器不擅長將多余的能量返回電路以提高效率。相反，它們將能量轉化為熱量。

濾波損耗通常由負載可以承受的紋波量定義。由于其數字閾值，數字電路可以承受更多的紋波。5模擬電路甚至無法承受少量紋波。

電感和電容器尺寸與頻率有關。隨著頻率的增加，電感和電容器縮小。想想大口大口地喝一大杯蘇打水的類比——這可能是“男子氣概”的事情，但一個孩子可以在許多小口中做同樣的工作。傳輸的總功率是相同的，但小電感器和電容器可以在更高的頻率下實現，并且通過適當的設計，所需的低通濾波和功率損失更少。

啟動電源設計

現在有一些好消息。上述開關損耗對于具有多個分立元件的大型電源來說非常具有挑戰性。這些供應必須適應各種條件。然而，IC內部定義明確、高度集成的電源使設計人員能夠控制、仿真和定制一些特殊的電路拓撲。如果您知道一些交易技巧，那么設計并不難。

了解應用程序

首先，我們必須收集有關設計的信息并徹底定義問題。練習中包括有關所需每個電壓和電流的詳細信息。公差、精度、負載和線路調整率是多少？最重要的是，真正需要什么電壓？如果電壓不需要嚴格的容差，電阻分壓器和阻抗轉換器（如晶體管或運算放大器）能勝任這項工作嗎？

由于幾個原因，熱量是一個主要問題。必須散熱以防止設備過熱。例如，當手機被留在陽光下并密封在封閉的汽車中時，這可能是一個非常困難的挑戰。此外，過熱產生的任何熱量都會浪費電池壽命，并需要更頻繁地為電池充電。沒有人想要這樣。收費間隔時間是消費者最關心的問題。因此，效率很重要。

開關還是線性？

現在我們需要決定如何將電源劃分為開關配置和線性配置。提高開關電源效率的最佳方法是了解電源電壓（通常是電池和充電電壓下的電池）和負載變化。最高效的開關穩壓器是負載電流變化不大的開關穩壓器。減小電感和電容物理尺寸的一種簡單方法是提高開關頻率。6

讓我們舉個例子，一臺專用計算機在不同操作模式下所需的功率差異很大。我們可以想到兩個具有相似要求的應用：衛星接收器和監控物理過程的計算機，也許在工廠內部。這兩種情況都會間歇性地使用硬盤進行低成本存儲。為了節省能源并延長光盤壽命，磁盤可以旋轉。我們規定光盤必須能夠在 20 秒內旋轉并準備好讀取或寫入。這意味著衛星接收器必須提供至少 20 秒的半導體存儲器，以便操作員的任何命令都顯示為操作的無縫部分。過程監控設備必須有足夠的內存，以便數據可以間歇性地記錄在硬盤上，同時最大限度地減少將光盤旋轉到速度的必要性。另一種操作模式可能是深度睡眠，它需要最少的功率。在這里，衛星接收器或工廠進程在夜間不使用。無論哪種情況，都必須適應每種操作模式以保持最高效率。

交易的集成技巧 — 思考“IC 內部”

通用開關和線性三端穩壓器需要在很寬的極端電流消耗下工作，因為設計人員無法預測它們的使用方式或地點。當我們知道確切的應用時，我們可以定制電路并優化效率。例如，制造通用穩壓器的簡單方法是將其限制在低帶寬以防止振蕩。然后，我們依靠去耦電容器來提供快速的高頻瞬態電流;穩壓器提供較慢的平均電流。這通常是一個很好的設計權衡，因為IC附近的小本地電容可以減輕IC和穩壓器之間連接的電阻和電感損耗。

對于音頻放大器中的已知負載，采用了不同的策略：使用更寬帶寬的功率調節。最簡單的例子是將基準電壓扇出到許多放大階段。在這種方法中，可以使用運算放大器來隔離小電路部分并防止相互作用。

最小化去耦電容尺寸的另一種方法是在放大器的輸入端放置一個相對較小的電容，并利用增益來增加電容的有效尺寸（即米勒效應）7).

想想晶體管。IC的優點是其所有晶體管都是通過照相過程同時制造的。這確保了參數的緊密匹配，比在不同時間制造的分立晶體管更接近。圖1中的輸出級如果匹配良好，可以添加兩個晶體管。頂部晶體管和底部晶體管分別成為級聯配置中的兩個晶體管。由于晶體管施加的電壓只有晶體管的一半，因此可以更輕松地控制它們，以提高開關速度和效率。單個芯片上匹配良好的晶體管電路可以更輕松地控制寄生電容，從而控制時間延遲，以減少死區時間并控制多個電源的相位和時序。

另一個“IC內部”選項起初聽起來很愚蠢 - 直到我們進行數學和模擬。例如，我們有一個5V電源，想要制造2.5V和1.2V電源。傳統思維認為我們構建兩個并聯電源，5V至2.5V和5V至1.2V。在高頻（即30MHz至100MHz）下，濾波器或紋波損耗與開關損耗相比減小。人們必須進行數學計算，看看級聯供應是否會減少損失。級聯電源實際上意味著5V變為2.5V，然后2.5V電源變為1.2V。本質上，1.2V電源的兩步進存在雙轉換和雙效率損耗。簡單地說，5V至2.5V電源必須通過2.5V下使用的所有電流加上1.2V下使用的所有電流。現在可能會發生一些令人驚訝的事情，因為與并聯條件相比，1.2V電源晶體管兩端的電壓只有一半：它們的開關損耗下降，特別是當負載足夠輕以使級聯對更有效時。

在IC中制造干凈的電源，然后通過電流鏡為多個電路供電是很常見的。許多設計人員使用相同的npn晶體管，因為它們是同時制造的，具有相同的工藝，并且具有相同的V是電壓下降。通過將基極連接在一起，每個發射極可以將相同的電壓分配到許多不同的電路級。由于我們正在復制清潔電源，因此去耦電容器的數量大大減少。

結論

交響樂指揮協調樂器，以產生和諧，干凈和愉快的音樂呈現。項目工程師控制功率參數，從而形成一個令最終用戶滿意的和諧、高效的系統。對于指揮和工程師來說，魔鬼在細節中。我們的指揮必須能夠識別出完美的樂器演繹和糟糕的樂器演繹。我們的設計工程師必須能夠識別電源結構中可能對整個設備產生負面影響的微小缺陷。

審核編輯：郭婷