導(dǎo)語：處理器核心供電一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

在對線性穩(wěn)壓器作了評估后，我們還需要遍歷所有的開關(guān)穩(wěn)壓器可選方案。是應(yīng)該采用同步方式還是異步方式；用電流模式還是電壓模式；脈沖寬度、脈沖頻率還是磁滯開關(guān)？還需要其它特性嗎？如果可選的線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器實(shí)在太多，要找到一個(gè)最適合自己產(chǎn)品的方案，就應(yīng)該把應(yīng)用需求列出一個(gè)詳細(xì)清單，然后同各種可供選擇的方案進(jìn)行比較。應(yīng)該記?。哼x擇正確設(shè)計(jì)的過程包括三個(gè)步驟，第一步就是建立有關(guān)需求、約束以及所期望特性的完整清單，從而全面理解自己的需要并使其文檔化。

這個(gè)清單開始于一些基本要素：如輸入電壓、輸出電壓以及負(fù)載電流。然后盡可能多地添加其它信息。清單中包含的需求、約束和期望特性越多，就更容易縮小可選方案的范圍。這一清單可以提示出什么是重要的，并幫助理解及證明自己的最終決定。清單的其它項(xiàng)可能包括：成本、尺寸、電壓降（壓差VIN-VOUT的最低值）、最小/最大輸入電壓、最小/最大可接受負(fù)載電壓、容錯(cuò)/精度、負(fù)載瞬態(tài)電流、線路調(diào)整率、靜態(tài)電流、電池類型及壽命、開/關(guān)腳、封裝/布局/定位的限制、順序、軟起動(dòng)、環(huán)境溫度、期望和禁止的開關(guān)頻率、對部件來源/類型的限制等等。除此以外，是否還有其它因素會(huì)影響到最終決策呢？

經(jīng)過對需求與約束的充分考察并使之文檔化后，第二個(gè)步驟是研究選擇線性穩(wěn)壓器的可行性。這一步很有必要，這樣可以在研究線性穩(wěn)壓器優(yōu)劣的同時(shí)，快速地縮小可選范圍。最重要的一些計(jì)算都很簡單，通過這些計(jì)算可以確定功率損耗、效率以及需要的散熱方式：首先，用IOUT與壓差VIN-VOUT的乘積計(jì)算出功率損耗，然后與IC內(nèi)部電路的功耗相加：PLOSS=[(VIN-VOUT)×IOUT]+PIC，其中，PIC=VIN×IGND（IGND亦為ISUPPLY或IQ）。

確認(rèn)采用了最大的VIN和最小的VOUT來計(jì)算最差情況的數(shù)值。電源通常指定了最大VIN，而最小VOUT的準(zhǔn)確值可以通過數(shù)據(jù)表得到。接下來計(jì)算給負(fù)載提供的功率，方法是用輸出電壓乘以負(fù)載電流：POUT=VOUT×IOUT。最后，計(jì)算效率：用加到負(fù)載上的輸出功率除以系統(tǒng)總功率：效率=POUT/(POUT+PLOSS)。于是就得到了一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)，可以用來篩選線性穩(wěn)壓器。

圖1，線性穩(wěn)壓器壓差VIN-VOUT(VDIFF)范圍內(nèi)，功率損失與IOUT關(guān)系。

功率損耗有兩個(gè)后果：發(fā)熱和低效率。使用線性穩(wěn)壓器的關(guān)鍵在于是否可以發(fā)散和耐受產(chǎn)生的熱量，以及避免由此所致電池壽命的縮減。另一個(gè)關(guān)鍵問題是，是否能通過提高LDO穩(wěn)壓器的性能來維持它的候選資格。圖1顯示了在某個(gè)VIN-VOUT差(VDIFF)范圍內(nèi)，功率損耗與IOUT的關(guān)系。圖2顯示了幾種常見封裝的功率耗散能力。如圖2所示，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)封裝技術(shù)可以在不加散熱片情況下提供超過2W的功耗。可將此數(shù)值與上面計(jì)算的PLOSS相比較。圖3按圖2所示順序和相對大小列出了各種封裝形式。

圖2，在無散熱片情況下，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝技術(shù)可以提供高于2.0W的功率耗散。

圖3，按圖2順序列出的封裝以及相對尺寸。

已知負(fù)載電流和壓差VIN-VOUT確定功率損耗，那么如何提高LDO穩(wěn)壓器的性能，使之適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)封裝的限制？盡管負(fù)載決定了輸出電流和電壓，但仍可以減小輸入電壓和VDIFF。如果能降低這個(gè)電壓差，就可以減小功耗和封裝的約束，也就可以有更多可供選擇的LDO穩(wěn)壓器方案。

圖4，F(xiàn)ET正在代替雙極晶極管用于傳輸晶體管，因?yàn)镕ET的低導(dǎo)通電阻可以提供比雙極晶體管固定飽和電壓更低的壓降。

新型LDO穩(wěn)壓器滿足了這一要求，它具有比以往產(chǎn)品更低的電壓降(VDIFF)，以及降低最小輸入電壓和輸出電壓等級的方法。需要用場效應(yīng)管(FET)代替雙極晶體管來擔(dān)當(dāng)傳輸晶體管角色，因?yàn)镕ET的導(dǎo)通電阻電壓降低于雙極晶體管的固定飽和電壓（圖4）。但很遺憾，大多數(shù)的LDO穩(wěn)壓器仍然要求最低輸入電壓要高于控制電路的工作電壓。市場上也出現(xiàn)了一些改進(jìn)后的LDO穩(wěn)壓器：它們有一個(gè)VIN和一個(gè)VBIAS輸入，即將主電流通路與IC的偏置通路分隔開。換句話說，該器件的控制電路運(yùn)行在較高的標(biāo)準(zhǔn)電壓下(5V)，有極小的電流(3mA)，而通向輸出端的大電流通路則來自一個(gè)獨(dú)立的低電壓輸入(VIN)。這種設(shè)置降低了壓差VIN-VOUT以及功率損耗。美國國家半導(dǎo)體的LP3883就是使用VBIAS端的一個(gè)電路實(shí)例，它在3A輸出電流時(shí)壓降為210mV。可以從一個(gè)1.5V電源（另一個(gè)核心電壓）為1.2V負(fù)載(3.6W)提供3A電流，而功率損失僅為900mW。再加上控制電路消耗的3mA電流（控制電路電壓為5V），總的功率損耗只有915mW，因此可以采用很多封裝形式。使用這些新型LDO穩(wěn)壓器，最佳策略就成了找到并利用電路板上的最低電壓。標(biāo)準(zhǔn)封裝的線性穩(wěn)壓器一般都比開關(guān)穩(wěn)壓器更便宜、更小，使用也更方便。

可以用以下公式確定應(yīng)用的功耗對散熱方式的要求：θJA=(TJ-TA)/PLOSS，其中θJA為封裝的熱阻；TJ為IC的最大結(jié)溫（一般為125°C），TA為緊貼IC的環(huán)境溫度（系統(tǒng)的內(nèi)部環(huán)境）。在本例中，TA為30℃（大致的室內(nèi)溫度），TJ為125℃。計(jì)算出方案所需θJA后，將其與LDO數(shù)據(jù)表中的封裝進(jìn)行比較，選定一種封裝形式。數(shù)據(jù)表中封裝的θJA必須等于或小于計(jì)算出的θJA值，否則結(jié)溫可能會(huì)超出設(shè)定的最大值。

現(xiàn)在，我們已經(jīng)計(jì)算了某個(gè)線性穩(wěn)壓方案的功率損失，并且確定了用于散熱的封裝形式。下面要考慮一下功耗和效率對電池壽命的影響。電池壽命一般用毫安小時(shí)（mAh）來表示。可以粗略地認(rèn)為一節(jié)100mAh的電池可以提供10個(gè)小時(shí)的10mA電流，或提供一個(gè)小時(shí)的100mA電流。（當(dāng)然許多因素可以影響或降低這一數(shù)值。）

如果IC核心需要100mA電流，則無論輸入電壓或輸出電壓如何，線性穩(wěn)壓器都必須通過它的傳輸晶體管供給100mA電流。但是，開關(guān)穩(wěn)壓器可以通過控制傳輸晶體管的導(dǎo)通時(shí)間（占空比）來減少對輸入端平均輸入電流的需求。在大多數(shù)情況下，開關(guān)穩(wěn)壓器效率都高于LDO，因?yàn)樗妮斎腚娏魇强梢詼p小的，所以對那些需要高效率并對熱量敏感的應(yīng)用來說，開關(guān)穩(wěn)壓器方案更具吸引力。

關(guān)于線性穩(wěn)壓器有一個(gè)最后要注意的問題：如果核心電壓是1.2V，應(yīng)確定它是否能承受更高的電壓。市面上大多數(shù)的線性穩(wěn)壓器都使用標(biāo)準(zhǔn)的帶隙基準(zhǔn)源，它的最低輸出電壓極限是大約1.25V。如果核心可以承受稍高的電壓，可以選擇的器件范圍就寬多了，通常成本會(huì)更低。

現(xiàn)在，已經(jīng)清楚了線性穩(wěn)壓方案的參數(shù)，如效率、功耗、壓降以及封裝。第三步查看一下開關(guān)穩(wěn)壓器。前面提到過的新型LDO穩(wěn)壓器電壓降已經(jīng)大幅減小，某些情況下已接近了開關(guān)穩(wěn)壓器的效率，拓寬了它們的應(yīng)用范圍。然而，開關(guān)穩(wěn)壓器總體上效率仍然更高，也有許多種類可供選擇。

圖5，計(jì)算出的效率曲線，1.2V輸出電壓，50mA至5A電流范圍，分別對應(yīng)于一個(gè)同步開關(guān)穩(wěn)壓器、一個(gè)異步開關(guān)穩(wěn)壓器和一個(gè)線性穩(wěn)壓器時(shí)。

先來比較一下開關(guān)穩(wěn)壓器的與線性穩(wěn)壓器的效率。圖5顯示了計(jì)算出的效率曲線，它們分別是一個(gè)同步開關(guān)穩(wěn)壓器、一個(gè)異步開關(guān)穩(wěn)壓器和一個(gè)線性穩(wěn)壓器，條件均為1.2V輸出電壓，輸出電流范圍為50mA至5A。當(dāng)輸入電壓從3.3V降至2.5V和1.5V時(shí)，異步開關(guān)穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器的效率均有較大提高。對線性穩(wěn)壓器，效率大致為VOUT/VIN，所以當(dāng)輸入電壓降為1.5V時(shí)，效率大約提高35%至80%，接近開關(guān)穩(wěn)壓器的效率。異步開關(guān)穩(wěn)壓器的效率增加約10%，因?yàn)楫?dāng)輸入電壓下降時(shí)，占空比增加，傳輸晶體管導(dǎo)通的時(shí)間多于二極管，這就需要更高的固定電壓降（本例為0.5V）。應(yīng)記住這些效率只是理論值。在實(shí)際應(yīng)用中，由于開關(guān)穩(wěn)壓器有傳輸晶體管和電感的壓降，從1.5V可能得不到1.2V電壓，此時(shí)LDO穩(wěn)壓器就更具吸引力了。

現(xiàn)在，注意一下低輸出電壓條件下開關(guān)穩(wěn)壓器的效率，以及兩種主要開關(guān)穩(wěn)壓器（同步和異步）之間的比較評定。開關(guān)穩(wěn)壓器效率較高是因?yàn)樗鼈兘档土藢﹄娫措娏鞯男枨?。對線性穩(wěn)壓器，傳輸晶體管總是導(dǎo)通的，多余的能量(VDIFF×IOUT)都以熱能形式散發(fā)出去。但是，開關(guān)穩(wěn)壓器可以把這個(gè)多余的能量儲(chǔ)存在輸出端的電感和電容中。負(fù)載可以從這里汲取能量，直至下一個(gè)開關(guān)周期刷新它們。由于開關(guān)穩(wěn)壓器是儲(chǔ)存能量而不是浪費(fèi)掉它們，因此降低了平均輸入電流，提高了效率。

圖6，異步穩(wěn)壓器使用一個(gè)三極管和一個(gè)二極管完成能量傳送周期。同步穩(wěn)壓器則使用兩個(gè)三極管。

異步穩(wěn)壓器使用一個(gè)三極管和一個(gè)二極管來完成能量傳輸過程（圖6）。在周期的第一部分，三極管將能量從源頭送給負(fù)載和LC濾波器。當(dāng)三極管截止時(shí)，正向偏置的二極管使LC中儲(chǔ)存的能量流向負(fù)載，完成周期的剩余部分。由于二極管導(dǎo)通需要較高的正偏電壓，所以最好是盡量使傳輸晶體管導(dǎo)通時(shí)間加長，以提高效率。但不幸的是，低輸出電壓經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生短的占空周期。

同步穩(wěn)壓器用另一個(gè)三極管替代了異步穩(wěn)壓器中的二極管。這支三極管的電壓降低于二極管，于是效率高于異步開關(guān)穩(wěn)壓器。但輕載時(shí)則是一個(gè)例外，因?yàn)榇藭r(shí)低導(dǎo)通電阻對系統(tǒng)效率提升作用不大，但仍要開關(guān)同步FET管。圖5顯示了這一效應(yīng)。當(dāng)IOUT接近0A時(shí)，同步FET的開關(guān)損耗明顯降低了效率。

一般而言，在需要低占空因數(shù)、大輸出電流或低輸出電壓的情況下（如為處理器核心供電的情況），同步穩(wěn)壓器的效率仍然高于異步穩(wěn)壓器。

許多開關(guān)穩(wěn)壓器有在輕載時(shí)提高同步穩(wěn)壓效率的功能。有些可以跳過脈沖或降低開關(guān)頻率，使開關(guān)動(dòng)作不那么頻繁。另一種方法是關(guān)掉同步FET驅(qū)動(dòng)，使用一個(gè)異步二極管與同步FET并聯(lián)組成通路。這種方法在輕載工作時(shí)取異步運(yùn)行效率，而在正常工作狀態(tài)用同步運(yùn)行效率。當(dāng)然，每增加一個(gè)特性都會(huì)增加復(fù)雜性、成本或電路體積。因此，必須將這些可選方案與需求和約束進(jìn)行比較來作出決定。

哪個(gè)是設(shè)計(jì)中最重要的因素？效率、成本還是體積？糟糕的是，對開關(guān)穩(wěn)壓器來說，這三大因素的計(jì)算要比線性穩(wěn)壓器復(fù)雜得多。比較好的著手解決的方法是采用一般的效率曲線圖（如圖5所示）來確定哪種方案最適合對效率的要求。搞清楚成本和體積的限制是很關(guān)鍵的。高的開關(guān)頻率使得電路可以采用更小的電感和電容，從而能夠降低整體體積和方案成本。但開關(guān)頻率的升高可能會(huì)降低設(shè)計(jì)的總體效率。

由于可選方案眾多，因此應(yīng)該從多個(gè)線性和開關(guān)穩(wěn)壓電源供應(yīng)商那里獲得幫助。有了需求清單，就可以對一系列可行方案進(jìn)行快速鑒別，還可以對沒有公開發(fā)表的新器件進(jìn)行研究。一旦可選范圍縮小后，就可以計(jì)算各方案的效率、成本和體積，并且再次利用供應(yīng)商的支持與工具，比較各種可能方案的特性。還應(yīng)記住，盡管新型開關(guān)穩(wěn)壓器可能包括亞帶隙基準(zhǔn)源，但大多數(shù)仍然繼續(xù)沿用標(biāo)準(zhǔn)的帶隙基準(zhǔn)源，因此多數(shù)開關(guān)穩(wěn)壓器的最小輸出電壓仍被限制為1.25V。

這里要特別提一下開關(guān)電容變換器。開關(guān)電容變換器可以提供比線性穩(wěn)壓器更高的效率，無需使用電感。但是，它們的電流限制約為300mA。開關(guān)電容設(shè)計(jì)在電池供電的應(yīng)用中很有吸引力，此時(shí)電感尺寸和EMI問題都是重要的限制因素。但是，采用新型開關(guān)技術(shù)與電感技術(shù)的開關(guān)穩(wěn)壓器已經(jīng)在許多應(yīng)用中獲得了相當(dāng)?shù)年P(guān)注，而這些應(yīng)用以前都是用開關(guān)電容變換器。

為低電壓微處理器核心供電有多種可選方案。在三個(gè)步驟的選擇過程中，第一步是建立一個(gè)需求與約束的完整清單；第二步是考慮新型LDO穩(wěn)壓器和標(biāo)準(zhǔn)的封裝技術(shù)，分析是否可能采用線性穩(wěn)壓器方案；第三步是仔細(xì)審查開關(guān)穩(wěn)壓器，以及對同步、異步和線性方案的效率作出比較評定。有了需求表和收集到的信息，再尋求供應(yīng)商的幫助來縮小可選范圍，并計(jì)算各個(gè)方案的效率、成本和體積。