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        為便攜設備供電的創新型雙輸出LDO電源解決方案

        作者: 時間:2013-03-05 來源:網絡 收藏

        引言
        在現代應用中,傳統的低壓降穩壓器(LDO)正逐漸被開關電 源(SMPS)所取代。雖然LDO是一個成本低廉而且強固耐用的電源解決方案,但是它耗電很大。越來越多的便攜設備廠商,像數碼相機、手機、PDA制造 商,都在研究用效率更高的解決方案取代LDO的可行性。開關解決方案的大小,即電源的物理尺寸,通常是這些廠商無法逾越的障礙。

        STw4141是一個創新的開關電源,只使用一個外接線圈就能產生兩個獨立的輸出電壓。因為其內在的開關特性,這個芯片的效率很高,而且所需的外部組件數量極少。該產品的效率可以與兩個獨立的開關電源媲美,尺寸相當于兩個獨立的LDO電源。因此,能夠取代便攜設備中的線性電源,或者縮減開關穩壓器的物理尺寸和成本。

        工作原理
        先簡要地了解一下傳統的降壓直流-直流轉換器,STw4141創新的雙輸出拓撲就是源自這種設計。圖1是一個簡單的降壓轉換器的電路示意圖,圖2是其線圈電流的波形。降壓轉換器拓撲組件包括PMOS和NMOS組成的功率級、線圈L、輸出電容C和反饋控 制回路。PMOS和NMOS以1/T的頻率反相開關,占空比為D1.。當PMOS晶體管導通時,線圈電流開始上升,斜率為:

        (1) 當NMOS晶體管導通時,線圈電流開始下降,斜率為:
        圖1 降壓拓撲
          圖1 降壓拓撲
        (2) 在穩態過程中,下列條件必須有效:

        (3)公式3是指每個時鐘周期開始時的線圈電流IL必須等于每個時鐘周期結束時的線圈電流IL(否則系統不是穩態)。從這個條件,我們可以得出降壓轉換器的占空比公式。

        (4) 公式4指線圈產生的總電量必須等于負載消耗的總電量,假設所有的開關和RDSon損耗忽略不計。
         圖 2 線圈電流波形
          圖 2 線圈電流波形

        對于雙輸出拓撲,在STw4141穩壓器中,線圈產生的電流分配給兩個輸出端,從這兩個輸出端口獲得的負載電流可以(實際上總是)完全不相關。因此,公式4的穩態條件必須改寫成:

        (6) 其中,Iload1 是負載從輸出1汲取的電流,Iload2 是負載從輸出2汲取的電流。

        圖 3 STw4141拓撲
          圖 3 STw4141拓撲

        為了按照公式6分配電量,系統就需要增加兩個開關MOS1和MOS2,如圖3所示。當MOS1導通時,線圈內貯存的電量就會傳送到輸出1;當MOS2導通時,線圈內貯存的電量就會傳送到輸出2。MOS1和MOS2以類似于PMOS和NMOS的1/T頻率反相開關,而占空比D2.不同于PMOS和NMOS的D1。可以說占空比D1是測量系統能夠傳輸的總電能的標準,而占空比D2則是測量兩個輸出之間分配 的總電能的標準。值得注意的最重要因素是,該系統只需一個線圈。

        圖4是雙輸出拓撲線圈電流的波形。與傳統的降壓轉換器不同,雙輸出拓撲有三個主要相位:(Vbat-Vout2)/L上升斜率;-Vout2/L下降斜率;-Vout1/L下降斜率。

        圖4 線圈電流波形
          圖4 線圈電流波形


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