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該介紹電源穩(wěn)壓器的系列文章由三部分組成。本文為第一部分。在第一部分，我們首先簡(jiǎn)單回顧負(fù)載率和負(fù)載特性的重要性。然后重點(diǎn)討論穩(wěn)壓器的控制方法、類(lèi)型、關(guān)鍵參數(shù) 和 補(bǔ)償方法。最后我們簡(jiǎn)要介紹內(nèi)部FET和與外部FET。在接下來(lái)的第二部分，我們將介紹除電壓模式(VM)和電流模式(CM)之外的其它控制方式，包括恒定導(dǎo)通時(shí)間控制、磁滯控制 和脈沖頻率調(diào)制(PFM)控制等。我們還會(huì)介紹如何針對(duì)具體的應(yīng)用選取適合的穩(wěn)壓器。在最后的第三部分，我們將介紹如何針對(duì)一個(gè)具體的應(yīng)用， 選擇合適的穩(wěn)壓器并進(jìn)行電路仿真。 

有多家供應(yīng)商都提供非常好的穩(wěn)壓器解決方案。對(duì)于負(fù)責(zé)復(fù)雜電路板各個(gè)方面的工程師，針對(duì)特定的負(fù)載選用最合適的穩(wěn)壓器，是一項(xiàng)令人困擾的工作。但這并不能保證，針對(duì)你特定的應(yīng)用，都有合適的穩(wěn)壓器適合你。例如，為汽車(chē)應(yīng)用設(shè)計(jì)的電源芯片，不一定都適合用在消費(fèi)產(chǎn)品上。芯片處理能力的增強(qiáng)，電池可用時(shí)間的縮短，給便攜式產(chǎn)品的電源設(shè)計(jì)帶來(lái)了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。當(dāng)采用開(kāi)關(guān)電源供電時(shí)，帶有敏感射頻電路和低噪聲模擬前端(AFE)的設(shè)備，給設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。超聲設(shè)備需要處理的是從人體反射的微弱信號(hào)。為了控制開(kāi)關(guān)電源諧波（帶來(lái)的干擾），開(kāi)關(guān)電源需要同步在一個(gè)外部頻率。在較大電流應(yīng)用中，效率往往是電路最重要的指標(biāo)。最后，工程師需要針對(duì)具體應(yīng)用，確定電源的關(guān)鍵指標(biāo)，然后選取合適的穩(wěn)壓器。 

細(xì)節(jié)決定成敗 

在為便攜式產(chǎn)品選擇穩(wěn)壓器時(shí)，需要考慮負(fù)載率和負(fù)載特性這些重要的細(xì)節(jié)問(wèn)題。負(fù)載率是指：用電設(shè)備工作的時(shí)間和待機(jī)（或消耗很小電流）的時(shí)間的比值。負(fù)載特性是指：正常工作時(shí)，負(fù)載電流是恒定的，還是在最小電流和最大滿(mǎn)載電流之間變化？ 

工程師為什么需要考慮負(fù)載率和負(fù)載特性？讓我們進(jìn)一步討論：設(shè)備的負(fù)載特性在我們選取穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流(IQ)時(shí)會(huì)很有用。比如，如果穩(wěn)壓器大部分時(shí)間都滿(mǎn)負(fù)載工作，那么選用超低靜態(tài)電流IQ的穩(wěn)壓器意義不大。在負(fù)載電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流時(shí)，完全沒(méi)有必要選取超低靜態(tài)電流的穩(wěn)壓器。如果（設(shè)備的）負(fù)載率低，并且在待機(jī)或休眠時(shí)穩(wěn)壓器允許被關(guān)斷，選取低關(guān)斷電流的穩(wěn)壓器比較重要。如果（設(shè)備的）負(fù)載率低，但穩(wěn)壓器需要一直供電，那么選取具有低靜態(tài)電流IQ的穩(wěn)壓器比較重要。另外，正常工作時(shí)，如果穩(wěn)壓器大部分時(shí)間為輕載，那么穩(wěn)壓器的超低工作電流對(duì)于優(yōu)化效率及延長(zhǎng)電池工作時(shí)間非常重要。 

選擇控制方式 

穩(wěn)壓器控制方式的選擇很重要?？刂破饔袔追N不同的控制方式：需要優(yōu)化輕載效率時(shí)，一般采用滯回或PFM控制方式。輸出噪聲要求較低時(shí)，需要采用脈寬調(diào)制(PWM)控制方式。PWM類(lèi)型的穩(wěn)壓器開(kāi)關(guān)頻率固定，噪聲比較容易被濾除。而PFM類(lèi)型的穩(wěn)壓器在輕載時(shí)開(kāi)關(guān)頻率較低，負(fù)載電流增大時(shí)開(kāi)關(guān)頻率增高。 

有些穩(wěn)壓器提供兩種工作模式，工作模式可以在PWM和SKIP（跳脈沖）模式之間切換。在輕載時(shí)，SKIP模式相對(duì)于PWM模式，電源的整體效率得到改善。圖1為開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器MAX15035在SKIP模式下，典型的效率曲線。值得一提的是，MAX15035的典型工作電流為1.53mA。在便攜式應(yīng)用中，如果負(fù)載率較低，負(fù)載電流又接近額定電流，則該開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是比較理想的選擇。前提是：在待機(jī)時(shí)，穩(wěn)壓器允許被關(guān)斷。如果在待機(jī)和休眠時(shí)，穩(wěn)壓器要保持工作狀態(tài)，就需要采用低工作電流的降壓穩(wěn)壓器。MAX1556降壓穩(wěn)壓器在沒(méi)有開(kāi)關(guān)切換時(shí)，典型電流只有16uA。如果穩(wěn)壓器需要在系統(tǒng)開(kāi)啟電源后一直處于工作狀態(tài)，MAX1556將是延長(zhǎng)電池工作時(shí)間的更好選擇。

圖1. MAX15053開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器(左)與MAX1556降壓型穩(wěn)壓器(右)的效率比較。

數(shù)據(jù)表明，MAX1556更適合待機(jī)模式下一直工作的電源

待機(jī)電流對(duì)于便攜式應(yīng)用非常重要。供應(yīng)商網(wǎng)站上提供的參數(shù)搜索工具可以簡(jiǎn)化穩(wěn)壓器的選型(圖2)。通過(guò)選擇幾項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，比如內(nèi)部開(kāi)關(guān)、最小輸入電壓、最大輸入電壓以及ICC (mA)，可以相對(duì)容易地在多個(gè)器件中，快速選擇出具體應(yīng)用需要的穩(wěn)壓器。在下面的選型工具中，我們?cè)O(shè)定了“最小輸入電壓”“最大輸入電壓”，選中了“內(nèi)部開(kāi)關(guān)”選項(xiàng)。設(shè)計(jì)工程師可拖動(dòng)“ICC (mA)”滑塊到最下面?，F(xiàn)在，選型工具幫我們篩選出最合適的兩款器件。

圖2. 利用參數(shù)檢索工具縮小選擇范圍

現(xiàn)在，我們花些時(shí)間討論一下不同的控制結(jié)構(gòu)。 

PWM開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器有兩種控制模式：電壓模式(VM)和電流模式(CM)。CM模式穩(wěn)壓器把流經(jīng)電感的電流作為反饋環(huán)路的一部分。PWM調(diào)制器的輸入信號(hào)為流經(jīng)電感的電流和誤差放大器輸出的誤差信號(hào)。圖3所示為峰值CM模式穩(wěn)壓器的簡(jiǎn)化電路圖，其中峰值電感電流以及輸出電壓都是受控的。流過(guò)電感的電流被檢測(cè)出并送去跟Vc進(jìn)行比較。Vc為誤差放大器的輸出。在CM控制模式下，為了避免在PWM信號(hào)占空比大于50%時(shí)產(chǎn)生次諧波振蕩，需要對(duì)電路進(jìn)行斜率補(bǔ)償。

圖3. 電流模式(CM)控制

自第一款開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)推出以來(lái)，電壓控制模式已經(jīng)使用了很長(zhǎng)時(shí)間。電壓控制模式只有一個(gè)電壓反饋通路；通過(guò)把誤差電壓信號(hào)與鋸齒波進(jìn)行比較，得到PWM信號(hào)。圖4所示為基本配置。

圖4. 電壓模塊(VM)控制

CM控制的優(yōu)勢(shì) 

接下來(lái)，我們簡(jiǎn)單討論一下這兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，首先從CM結(jié)構(gòu)開(kāi)始。 

為什么要采用電流模式？進(jìn)一步觀察電流控制環(huán)路的響應(yīng)，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)控制FET導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)RSENSE的電流經(jīng)過(guò)電流檢測(cè)電路后變成電壓斜坡信號(hào)。電壓斜坡與電感中的斜坡電流成比例。經(jīng)過(guò)斜率補(bǔ)償?shù)碾妷盒逼赂`差放大器的輸出電壓進(jìn)行比較。圖中的CONTROL FET將保持導(dǎo)通，直到這兩個(gè)電壓相等。當(dāng)這兩個(gè)電壓相等時(shí)，圖中的CONTROL FET關(guān)閉。之后，通過(guò)固定頻率的時(shí)鐘信號(hào)CLK來(lái)置位RS觸發(fā)器，開(kāi)始下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，如圖3所示。這樣，流過(guò)CONTROL FET開(kāi)關(guān)和電感的峰值電流，基本上由電壓控制環(huán)路決定。由于電感處在內(nèi)部的電流控制環(huán)路內(nèi)，CM控制模式消除了電感的極點(diǎn)和二階特征帶來(lái)的影響（這些影響在VM控制模式下是存在的）。因此，外部的電壓控制環(huán)路只存在單極點(diǎn)的輸出濾波器和負(fù)載電阻?？梢园袰M轉(zhuǎn)換器看成一個(gè)電流源。電路的輸出電容與并聯(lián)的負(fù)載阻抗構(gòu)成了單極點(diǎn)電路。該電流源給該單極點(diǎn)電路提供電流并對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。這意味著，對(duì)CM模式穩(wěn)壓器進(jìn)行穩(wěn)定補(bǔ)償，總體來(lái)說(shuō)要比VM控制器容易得多。 

下面，我們討論補(bǔ)償方法。圖5為兩種控制結(jié)構(gòu)所采用的典型的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。左側(cè)為電壓模式補(bǔ)償4 (III型)電路，要求較復(fù)雜的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。右側(cè)為電流模式補(bǔ)償(II型)5電路，比較簡(jiǎn)單，甚至可以不需要C2。

圖5. VM補(bǔ)償(左)與CM補(bǔ)償(右)的原理圖比較。CM補(bǔ)償中，可能不需要C2

早期CM控制方法帶來(lái)的一個(gè)問(wèn)題是：需要高精度的電流檢測(cè)2電路。該電路會(huì)引入少量的功率損耗。現(xiàn)在的集成電源方案采用內(nèi)部的高邊FET的RDSON實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)，不需要外部電流檢測(cè)電阻。CM轉(zhuǎn)換器除了補(bǔ)償2網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)外，還有下述特點(diǎn)：出色的電源調(diào)整率、極佳的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)逐周期限流（因?yàn)樵诿總€(gè)開(kāi)關(guān)周期都進(jìn)行電流檢測(cè)。） 

電源調(diào)整率定義為：輸入電壓變化引起的輸出電壓變化量。電源調(diào)整率跟控制至輸出傳遞函數(shù)的增益相關(guān)。由于CM結(jié)構(gòu)的控制至輸出傳遞函數(shù)的增益與輸入電壓無(wú)關(guān)，所以電源調(diào)整率非常好。另外，對(duì)于CM結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器，單極點(diǎn)引入的相位/延遲較小。所以，相對(duì)于VM 結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器，峰值CM控制結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器具有更好的瞬態(tài)響應(yīng)。查看VM結(jié)構(gòu)的控制至輸出傳遞函數(shù)發(fā)現(xiàn)：輸入電壓會(huì)直接影響傳遞函數(shù)的增益。這導(dǎo)致電源調(diào)整率性能下降?，F(xiàn)在的VM轉(zhuǎn)換器通過(guò)采用電壓前饋技術(shù)，根據(jù)輸入電壓改變鋸齒波信號(hào)的斜率，解決了這一問(wèn)題。表1所示為兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)/缺點(diǎn)2匯總。 

既然CM有那么多優(yōu)點(diǎn)，為什么還要用VM控制模式？這是因?yàn)镃M設(shè)計(jì)要求兩個(gè)控制環(huán)路，并且電路復(fù)雜度比VM高。VM控制的穩(wěn)壓器可能更具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。從歷史角度看，在輸入電壓工作范圍較寬，尤其是在低輸入電壓/輕負(fù)載時(shí)，電流斜坡的斜率可能太低，以至于CM 控制器不能穩(wěn)定工作。新出現(xiàn)的器件（如MAX17500–MAX17504系列高壓CM轉(zhuǎn)換器）已經(jīng)大大改善了這一限制。

表1. VM控制與CM控制的比較匯總 

什么是斜率補(bǔ)償？ 

盡管現(xiàn)代大多數(shù)集成轉(zhuǎn)換器的斜率補(bǔ)償都是內(nèi)置的，我們?nèi)匀缓苡斜匾獙?duì)斜率補(bǔ)償做些了解。 

假定降壓型轉(zhuǎn)換器工作在電流連續(xù)模式(CCM)。這意味著電感中的電流永遠(yuǎn)不會(huì)下降至零。另外假定負(fù)載較重，PWM占空比為75%左右。在沒(méi)有斜率補(bǔ)償時(shí)，只有電流檢測(cè)電路輸出的斜坡信號(hào)加到PWM比較器。切換到輕載時(shí)，電流控制環(huán)路會(huì)過(guò)早地關(guān)斷控制FET開(kāi)關(guān)。由于PWM占空比為75%，可供電感電流下降和磁芯復(fù)位的時(shí)間很短。負(fù)載上的電壓決定了電感電流的下降斜率。只要負(fù)載不對(duì)地短路，電感中的電流降至PWM比較器的下門(mén)限值就需要較長(zhǎng)的時(shí)間。當(dāng)下一周期開(kāi)始時(shí)，由于電感中電流仍然太高，F(xiàn)ET開(kāi)關(guān)不能導(dǎo)通(或者以控制器允許的最小占空比短暫地導(dǎo)通)。如果電流非常高，下一周期由于同樣的原因，F(xiàn)ET開(kāi)關(guān)繼續(xù)保持關(guān)斷。 

這會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器在PWM開(kāi)關(guān)頻率的次諧波處發(fā)生振蕩。斜率補(bǔ)償在電流檢測(cè)波形上疊加內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)，提供了在較短關(guān)斷時(shí)間內(nèi)斜降至零的途徑。對(duì)于過(guò)流條件，仍然會(huì)有非常短的脈沖，但通過(guò)在電流檢測(cè)波形上疊加時(shí)鐘信號(hào)，解決了次諧波振蕩問(wèn)題。 

同步與異步整流 

進(jìn)一步觀察典型DC/DC轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)有兩種類(lèi)型的輸出級(jí)(圖6)。我們一般把同時(shí)具有高邊和低邊FET的轉(zhuǎn)換器稱(chēng)為同步整流轉(zhuǎn)換器。DC/DC轉(zhuǎn)換器的控制電路會(huì)同步兩個(gè)FET的導(dǎo)通與關(guān)斷。同步措施優(yōu)化和控制這兩個(gè)FET的死區(qū)時(shí)間，使它們不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。高邊FET在VOUT/VIN × 1/fsw導(dǎo)通，低邊FET在1 - VOUT/VIN × 1/fsw導(dǎo)通，其中fsw為轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率。一般來(lái)說(shuō)，異步轉(zhuǎn)換器在占空比較低時(shí)，可能滿(mǎn)足不了電路板對(duì)電源效率的要求，因?yàn)槠鋵?dǎo)通損耗主要由I x VDIODE決定。同步整流轉(zhuǎn)換器對(duì)應(yīng)的損耗為RDS(ON) x I功率損耗。 

要針對(duì)具體應(yīng)用來(lái)選取合適的同步整流的器件。例如，針對(duì)5V轉(zhuǎn)換為2.5V的應(yīng)用，輸入耐壓額定值為14V的穩(wěn)壓器可能不是最佳選擇。因?yàn)?4V的調(diào)壓器是針對(duì)分布式12V電源總線(常見(jiàn)于電信和服務(wù)器應(yīng)用)設(shè)計(jì)的。這類(lèi)設(shè)計(jì)針對(duì)占空比小于10%、1V或更低的內(nèi)核電壓應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，內(nèi)部高邊FET的RDSON可能較高。 

本例中，12V穩(wěn)壓器的FET針對(duì)很低的占空比應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化：低邊FET以導(dǎo)通損耗為主，針對(duì)RDSON進(jìn)行優(yōu)化；高邊FET以開(kāi)關(guān)損耗為主，優(yōu)化為具有較高RDSON但很小的柵極充電電流。將5V電壓轉(zhuǎn)換為2.5V時(shí)，PWM占空比為50%，最大額定值為6V的器件可能是更好的選擇。通常情況下，大多數(shù)為5V和12V系統(tǒng)設(shè)計(jì)的降壓型轉(zhuǎn)換器采用同步整流器輸出級(jí)。在24V及更高電壓的工業(yè)應(yīng)用中，利用肖特基二級(jí)管代替低邊FET的異步整流級(jí)更常見(jiàn)。

圖6. 異步與同步控制的比較

一些較新的器件（如前面提到的MAX17501–MAX17504）集成了高邊和低邊FET。這些器件最大輸入電壓額定值為60V，可以用在直流電壓總線為24V或更高電壓的工業(yè)應(yīng)用中，以提高效率。 

內(nèi)部與外部FET的比較 

沒(méi)有穩(wěn)壓器是針對(duì)所有可能的電源電壓優(yōu)化的。設(shè)計(jì)者針對(duì)特定的應(yīng)用希望優(yōu)化效率時(shí)，有時(shí)會(huì)選擇外接FET的DC/DC控制器。在大功率時(shí)，如果從12V變換出1V以下的電源電壓，F(xiàn)ET的選擇至關(guān)重要。所以，當(dāng)占空比較低時(shí)，選擇RDSON較高、柵電荷較低的高邊FET可優(yōu)化總體效率。此外，對(duì)低邊FET，可能需要兩個(gè)或多個(gè)FET并聯(lián)使用，以降低傳導(dǎo)損耗，同時(shí)需要最大程度地降低低邊FET的開(kāi)關(guān)損耗。文章末尾的參考6提供了選擇DC/DC控制器外部FET的標(biāo)準(zhǔn)，可作為入門(mén)參考。 

總結(jié) 

文章第一部分向讀者介紹了在選擇合適穩(wěn)壓器時(shí)所做的折衷。對(duì)具體應(yīng)用的了解對(duì)選擇最合適的穩(wěn)壓器至關(guān)重要！理解了這些標(biāo)準(zhǔn)之后，即可選定控制模式。通過(guò)介紹電壓模式(VM)和電流模式(CM)控制之間的差異，我們幫助讀者選擇更適合于具體應(yīng)用的結(jié)構(gòu)。通過(guò)同步與異步整流的優(yōu)缺點(diǎn)的簡(jiǎn)要介紹，我們幫助讀者在性能與成本之間取得折衷——異步整流器件一般成本較低。最后，我們介紹了為什么選擇需要外部FET的控制器可能更有優(yōu)勢(shì)。本文的讀者對(duì)象主要是電路板設(shè)計(jì)者，而非內(nèi)部電源工程師，所以沒(méi)有引用大量的電源公式。