【導讀】在電路係統設計中，總是離不開電源芯片的使用，林林總總的電源芯片非常多，比如傳統的線性穩壓器7805、低壓差線性穩壓器(LDO)
、開關型降壓穩壓器(Buck DCDC)等

，那麼它們到底有什麼區別呢？Excelpoint世健的工程師Wolfe Yu在此對各種降壓型穩壓芯片的原理進行了科普。

降壓型穩壓芯片的主要分類

串聯線性穩壓電路原理

串(chuan)聯(lian)線(xian)性(xing)穩(wen)壓(ya)電(dian)路(lu)主(zhu)要(yao)思(si)路(lu)來(lai)自(zi)於(yu)基(ji)本(ben)線(xian)性(xing)調(tiao)整(zheng)模(mo)型(xing)。在(zai)輸(shu)入(ru)直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)和(he)負(fu)載(zai)之(zhi)間(jian)串(chuan)入(ru)一(yi)個(ge)三(san)極(ji)管(guan)，其(qi)作(zuo)用(yong)就(jiu)是(shi)當(dang)輸(shu)出(chu)阻(zu)抗(kang)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)引(yin)起(qi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)同(tong)步(bu)變(bian)化(hua)時(shi)，通(tong)過(guo)某(mou)種(zhong)反(fan)饋(kui)形(xing)式(shi)使(shi)三(san)極(ji)管(guan)的(de)發(fa)射(she)極(ji)也(ye)隨(sui)之(zhi)變(bian)化(hua)，從(cong)而(er)調(tiao)整(zheng)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)值(zhi)，以(yi)保(bao)持(chi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)基(ji)本(ben)穩(wen)定(ding)。由(you)於(yu)串(chuan)入(ru)的(de)三(san)極(ji)管(guan)是(shi)起(qi)著(zhe)電(dian)壓(ya)調(tiao)整(zheng)作(zuo)用(yong)的(de)，所(suo)以(yi)，這(zhe)個(ge)三(san)極(ji)管(guan)也(ye)稱(cheng)為(wei)調(tiao)整(zheng)管(guan)。

圖1 LDO基本模型

基ji本ben線xian性xing調tiao整zheng管guan的de輸shu出chu電dian壓ya
，主zhu要yao由you穩wen壓ya管guan的de電dian壓ya來lai決jue定ding，無wu法fa實shi現xian自zi動dong調tiao節jie。為wei了le讓rang輸shu出chu電dian壓ya可ke以yi自zi由you設she定ding，從cong而er不bu受shou穩wen壓ya管guan影ying響xiang，一yi般ban會hui加jia入ru運yun算suan放fang大da器qi，通tong過guo比bi例li係xi數shu調tiao節jie輸shu出chu電dian壓ya。

圖2 可調LDO模型

LDO直流輸入電壓和負載調整率、輸入電壓和負載瞬態響應、電源抑製比(PSRR)、輸(shu)出(chu)噪(zao)聲(sheng)和(he)精(jing)度(du)在(zai)各(ge)種(zhong)降(jiang)壓(ya)型(xing)穩(wen)壓(ya)器(qi)中(zhong)，都(dou)是(shi)最(zui)優(you)
，對(dui)於(yu)高(gao)精(jing)度(du)模(mo)擬(ni)前(qian)端(duan)應(ying)用(yong)場(chang)合(he)十(shi)分(fen)必(bi)要(yao)。所(suo)以(yi)，產(chan)品(pin)應(ying)用(yong)的(de)核(he)心(xin)電(dian)源(yuan)，都(dou)會(hui)采(cai)用(yong)高(gao)精(jing)度(du)LDO供電。

圖3 LDO主要功耗模型

LDO也會麵臨另一個問題
，效率比較低。主要是穩壓調整管所需擊穿飽和電流、運放反饋回路電流
、以及輸出電壓與壓差和電流產生的熱能損耗等等。一般來說，我們把輸入電流和I_in輸出電流I_out的差值
，稱為接地電流（I_GND），接地電流包括靜態電流（I_Q）
，LDO的效率公式如下。

接地電流是影響LDO效率的一個因素，但是，相對於調整管的壓降來說，如同九牛一毛，可以忽略不計。真正影響LDO效率的是輸入輸出之間的電壓差。

一般來說，市麵上常用的串聯線性穩壓電路通常會采用五種常用的結構
，大體分為：經典NPN型結構LDO(A)
、基於PNP驅動的NPN輸出型低壓差結構LDO(B)、PNP型低壓差結構LDO(C)
、P溝道低壓差LDO(D)

、N溝道低壓差LDO(E)。

圖4 常見LDO產品架構

初步分析：經典NPN型結構LDO
，輸入輸出壓差基本要求滿足3V左右。基於PNP驅動的NPN輸出型低壓差結構LDO，輸入輸出壓差需要達到1.5V。PNP型低壓差結構LDO、P溝道低壓差LDO和N溝道低壓差LDO屬於真正的低壓差LDO
，P溝道低壓差LDO對於散熱要求很高
，N溝道低壓差LDO相對工藝複雜。PNP型低壓差結構LDO相對簡單
，輸入輸出壓差基本控製在0.3V——0.6V之間。市麵上
，選擇C和D方案作為LDO架構的廠商較多。

串聯開關穩壓電路原理

前麵我們提到
，LDO有著較大的負載調整率、輸入電壓和負載瞬態響應、電源抑製比(PSRR)
、輸出噪聲和精度。但是由於效率太低
，隨著節能減排、PCBA的布局布線等要求
，在很多高壓差的場合
，人們不得不尋求新的替代方案。

隨著半導體技術和磁性材料的發展，通過調整開關管通斷、采用換能的方式，輸出相對穩定的電壓的DCDC應運而生。

圖5 Buck DCDC基本拓撲

正常工作狀態下
，BUCK型DCDC主要工作在連續導通模式（CCM），這種模式下，電感器上有連續電流，這種情況也稱為重載模式，DCDC主要是通過電感電壓伏秒平衡原理
，來實現降壓功能。

圖6 Buck DCDC連續導通模式及輸出波形

從上圖來看
，我們可以計算出BUCK型DCDC的輸出電壓和輸入電壓之間的關係，主要依賴於開關管的導通時間。

對於開關電源來說，影響開關電源功耗的因素，主要集中在開關管MOSEFET
、門極驅動、電感磁芯損耗和線損上麵。

圖7 Buck DCDC主要損耗因素

相對於線性穩壓電源來說，開關穩壓電源的效率可以達到90%以上，相對損耗幾乎忽略不計。所以，在很多應用場合，特別是較大輸出壓差和較大輸出功率的情況下，工程師幾乎統一都是采用這種Buck電源。

開關電源Buck電路的控製方案

PWM脈衝調製技術

傳統電流模式的開關電源
，采用的方式是將采樣電流與電壓反饋環路中誤差放大器的輸出進行比較，以生成控製MOSFET的PWM脈衝。

圖8 PWM核心控製機理

電壓模式是PWM脈衝調製一種常用的調製方式，主要采用固定頻率三角波和誤差做比較，采用三角波和誤差幅值調整占空比。

圖9 電壓調整模式架構

峰值電流模式是PWM脈衝調製的另一種常用的調製方式，占空比主要由電流環決定，電壓環決定電流信號參考。

圖10 峰值電流模式架構

COT調製技術

PWM頻(pin)率(lv)恒(heng)定(ding)，其(qi)在(zai)整(zheng)個(ge)負(fu)載(zai)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)紋(wen)波(bo)電(dian)壓(ya)和(he)輸(shu)出(chu)噪(zao)聲(sheng)都(dou)是(shi)非(fei)常(chang)低(di)的(de)，每(mei)個(ge)開(kai)關(guan)管(guan)在(zai)切(qie)換(huan)的(de)時(shi)候(hou)都(dou)會(hui)產(chan)生(sheng)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)
，特(te)別(bie)是(shi)其(qi)在(zai)輕(qing)負(fu)載(zai)時(shi)
，還(hai)保(bao)持(chi)較(jiao)高(gao)的(de)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)，開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)比(bi)重(zhong)加(jia)大(da)
，效(xiao)率(lv)會(hui)降(jiang)低(di)。

圖11 DCM模式電感電流環示意

我們知道，當負載電流非常小時
，或者說電感器的值小於臨界電感時，轉換器開關就會工作在不連續導通模式(DCM)。極端情況下
，假設負載為0，轉換器開關就會隻轉換一次就不再工作。實際上，由於開關電源的ESR，反饋回路等等形成的阻抗產生電路損耗。此時，控製MOSFEET的PWM脈衝寬度明顯小於正常連續開通模式(CCM)的脈衝寬度。

圖12 DCM模式電感電壓與電流波形

同時
，每個MOSFEET開關管的切換時間，總是存在相對固定的開通和關斷時間，這就是開關損耗。如果我們在DCM模式下，能降低開關切換頻率。就會降低開關損耗。

基於PFM的COT可以很好的解決上述難題，與傳統電壓/電流模式控製相比，恒定導通時間控製（COT）結jie構gou則ze非fei常chang簡jian單dan，它ta通tong過guo反fan饋kui電dian阻zu來lai采cai樣yang輸shu出chu電dian壓ya
，然ran後hou將jiang輸shu出chu電dian壓ya紋wen波bo穀gu值zhi直zhi接jie與yu參can考kao電dian壓ya進jin行xing對dui比bi，生sheng成cheng固gu定ding的de導dao通tong時shi間jian脈mai衝chong來lai導dao通tong上shang管guanMOSFET。

圖13 COT核心控製機理

COT架構無需傳統電壓/電流模式DC/DC控kong製zhi中zhong的de補bu償chang網wang絡luo，隻zhi需xu要yao一yi個ge參can考kao比bi較jiao器qi輸shu出chu來lai觸chu發fa定ding時shi脈mai衝chong發fa生sheng器qi。變bian換huan器qi的de設she計ji更geng加jia簡jian單dan，因yin為wei元yuan器qi件jian變bian得de更geng少shao
，也ye無wu需xu花hua費fei很hen多duo時shi間jian來lai調tiao整zheng補bu償chang值zhi。COT 變頻控製結構在輕載時，脈衝頻率得到了進一步的降低


，可以保持較高的效率。COT架構也存在一些缺點：首先，每次導通時間固定，頻率會隨占空比發生變化，針對這種情況
，我們一般在電路上調整假負載，控製頻率因素。其次
，COT架構的另一個缺點，需要依靠FB引腳上的紋波調整占空比，輸出紋波很大。

多相交錯並聯降壓技術

如果變換器的開關頻率一致，並且在各變換器之間加一定的相移
，可以減少輸入輸出電流紋波，這種稱之為多相交錯並聯降壓技術。

圖14 多相交錯並聯移向技術架構

多相交錯並聯Buck型DCDC變換器是由多個變換器並聯，共同為負載提供電流。每個驅動信號頻率相同，相位錯開。

圖15多相交錯並聯移向電流紋波

用交錯並聯後電流由交錯電流疊加，如果疊加相位匹配控製得好，電流紋波會隨相位增加而降低

，電壓紋波也會相應降低。

多相交錯並聯COT架構電源對於輕載、重載自由切換的大功率通信應用場合意義十分重大

，特別是5G通信電源，需要滿足超大射頻發射功率等應用場景。

Microchip基於雙相交錯先進COT Buck電源的解決方案

Excelpoint世健代理的產品線Microchip推出基於雙相交錯先進恒定導通時間（COT）同步降壓控製器的MIC21LV33係(xi)列(lie)電(dian)源(yuan)芯(xin)片(pian)。該(gai)芯(xin)片(pian)采(cai)用(yong)獨(du)特(te)的(de)自(zi)適(shi)應(ying)導(dao)通(tong)時(shi)間(jian)控(kong)製(zhi)架(jia)構(gou)

，支(zhi)持(chi)超(chao)輕(qing)負(fu)載(zai)模(mo)式(shi)和(he)切(qie)相(xiang)功(gong)能(neng)。控(kong)製(zhi)部(bu)分(fen)采(cai)用(yong)超(chao)高(gao)速(su)控(kong)製(zhi)器(qi)，在(zai)中(zhong)等(deng)負(fu)載(zai)至(zhi)重(zhong)負(fu)載(zai)條(tiao)件(jian)下(xia)支(zhi)持(chi)超(chao)快(kuai)速(su)瞬(shun)態(tai)響(xiang)應(ying)。支(zhi)持(chi)從(cong)外(wai)部(bu)通(tong)過(guo)電(dian)容(rong)編(bian)程(cheng)軟(ruan)啟(qi)動(dong)，實(shi)現(xian)安(an)全(quan)啟(qi)動(dong)進(jin)入(ru)重(zhong)載(zai)模(mo)式(shi)。該(gai)芯(xin)片(pian)還(hai)集(ji)成(cheng)一(yi)個(ge)遠(yuan)程(cheng)檢(jian)測(ce)放(fang)大(da)器(qi)，用(yong)於(yu)精(jing)確(que)控(kong)製(zhi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)。

MIC21LV33提供全套保護功能，確保在故障狀態期間保護芯片。包括：電源電壓跌落條件下正常工作的欠壓鎖定、降低浪湧電流的可編程軟啟動、過壓放電
、“打嗝”模式短路保護、以及熱關斷。

MIC21LV33產品主要特征：

-輸入電壓範圍：4.5V——36V

-輸出電壓

、電流：0.6V——28V，最低0.6V，精度±1%。最大輸出電流：50A。

-開關頻率範圍：100kHz——1MHz/Phase

-MIC21LV33集成遠程檢測放大器，用於精確控製輸出電壓。

-封裝：32腳 5mm x 5mm VQFN

-溫度範圍：-40℃——125℃。

圖16 MIC21LV33 評估板

MIC21LV33該產品可應用於：分布式電源係統、通信/網絡基礎設施
、打印機
、掃描儀


、視頻設備、以及FPGA/CPU/MEM/GPU內核電源。該產品可以支持最大8相堆疊，電流輸出高達200A。滿足各種應用場景，Excelpoint世健可提供相應技術指導及樣品支持。

關於世健——亞太區領先的元器件授權代理商

世健是完整解決方案的供應商

，為亞洲電子廠商包括原設備生產商(OEM)
、原設計生產商(ODM)和電子製造服務提供商(EMS)提供優質的元器件、工(gong)程(cheng)設(she)計(ji)及(ji)供(gong)應(ying)鏈(lian)管(guan)理(li)服(fu)務(wu)。世(shi)健(jian)與(yu)供(gong)應(ying)商(shang)及(ji)電(dian)子(zi)廠(chang)商(shang)緊(jin)密(mi)協(xie)作(zuo)，為(wei)新(xin)的(de)科(ke)技(ji)與(yu)趨(qu)勢(shi)作(zuo)出(chu)定(ding)位(wei)


，並(bing)幫(bang)助(zhu)客(ke)戶(hu)把(ba)這(zhe)些(xie)最(zui)先(xian)進(jin)的(de)科(ke)技(ji)揉(rou)合(he)於(yu)他(ta)們(men)的(de)產(chan)品(pin)當(dang)中(zhong)。集(ji)團(tuan)分(fen)別(bie)在(zai)新(xin)加(jia)坡(po)、中(zhong)國(guo)及(ji)越(yue)南(nan)設(she)有(you)研(yan)發(fa)中(zhong)心(xin)，專(zhuan)業(ye)的(de)研(yan)發(fa)團(tuan)隊(dui)不(bu)斷(duan)創(chuang)造(zao)新(xin)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)
，幫(bang)助(zhu)客(ke)戶(hu)提(ti)高(gao)成(cheng)本(ben)效(xiao)益(yi)並(bing)縮(suo)短(duan)產(chan)品(pin)上(shang)市(shi)時(shi)間(jian)。世(shi)健(jian)研(yan)發(fa)的(de)完(wan)整(zheng)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)及(ji)參(can)考(kao)設(she)計(ji)可(ke)應(ying)用(yong)於(yu)工(gong)業(ye)
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