采用SOT23 封裝的降壓穩壓器和升壓穩壓器

很多低成本應用都利用線性穩壓器把一種電壓轉換到另一種電壓。以微型 SOT23 封裝的新型開關穩壓器提供了一個完整的緊湊解決方案，它的效率高得多。新型穩壓器能達到很高的開關頻率，因此外部元件很小，成本也非常低。
美國國家半導體公司(NS)最近推出了一系列小尺寸 SOT23 封裝的開關穩壓器，并將在未來推出更多集成了功率晶體管的型號。
本文將介紹一些新型號，探討各自的優點，并將在幾個應用實例中說明工程師如何能利用它們來做設計。

升壓解決方案

升壓拓撲結構的穩壓器需要開關一個低端晶體管。這意味著開關元件的位置在開關管腳和接地管腳之間。借助這種組合，不僅能實現升壓拓撲結構，而且還能實現單端初級電感轉換器 (SEPIC)拓撲結構、回掃拓撲結構和負降壓拓撲結構。升壓穩壓器能提供比輸入電壓高的輸出電壓。SEPIC 拓撲結構提供了利用更小或更大的輸入電壓來穩定某個電壓的可能性。這種額外的功能的折衷是效率比經典的升壓拓撲結構稍低，元件也要額外增加一個感應器和一個電容器。
回掃拓撲結構提供了與 SEPIC 相同的降壓和升壓能力，但是它需要的不是兩個感應器，而是一個變壓器。
所有這些拓撲結構是否能設置在一個特定的低端轉接開關中，是否能穩定工作，這在很大程度上取決于電壓和電流規格，以及內部或外部補償電路。
NS公司提供兩個版本的 LM2733。一個版本于 1500kHz 的開關頻率工作，另一個使用 500kHz 振蕩器速度。如果需要，還可以提供尺寸極小的感應器。

典型應用
LM2733 的一個典型用途是為多達 10 個白光 LED 供電，應用于屏幕背光照明。圖 1 描繪了這種應用。當很多 LED 需要相同亮度時，可以串聯所有 LED。這樣就保證了每個 LED 傳導了相同電流，它一般意味著每個LED的亮度相同。當所有 LED 串聯時，它們的正向電壓會疊加起來。根據配置的LED數量，這需要比較高的電壓。由于多數系統中不供應這樣高的電壓，因此常用的 5V 或 3.3V 需要被提升到需要的電壓，才能驅動這一串 LED。NS公司的 LM2733 能提供高達 40V 的輸出電壓。當使用白光 LED 時，可以串聯至少 9 個 LED。流過 LED 的電流大小是由電阻器 R1 設置的。

降壓解決方案
升壓拓撲結構的穩壓器需要開關一個高端晶體管。這意味著晶體管的位置在輸入電壓和開關管腳之間。高端穩壓器與以前討論過的主要用于降壓拓撲結構的低端穩壓器截然不同。其它拓撲結構包括降壓-升壓拓撲結構，也稱為反相拓撲結構。這種拓撲結構只需要與降壓拓撲結構相等數量的外部元件，但可以把正電壓轉換稱負電壓。雖然電子產品設計中有時需要負電壓，但這種電壓不那么常用。
另一種可實現的拓撲結構就是負升壓拓撲結構。它可以把負電壓轉換成更高的負電壓。圖 2 顯示了這種電路的原理圖。分析這種電路可能讓人非常混肴。下面的提示可以幫助理解這些不常用的拓撲結構。首先，不論接地引腳絕對是處于負電壓還是正電壓，我們都知道反饋管腳將一直確保其額定值高于接地管腳。多數情況下，反饋引腳的參考地電壓是 1.2V。要注意的第二個事實是，Vin 管腳在參考 _Vin節點和穩壓器的接地管腳時，實際上處于正電壓，上述接地管腳是（負）輸出電壓。

工藝技術
當把 SOT23 等非常小的封裝用于較高功率時，第一個大問題是實際裸片尺寸，第二個大問題是封裝的熱耗散。SOT23-6 并不是一種非常低溫阻的封裝。SOT23-6 封裝從接頭到周圍環境的典型熱阻是 265 開爾文/瓦。如果這種器件工作于室溫，那么它能達到的最大功耗大約是 380mW。請記住，多數應用需要工作在遠高于室溫的溫度下，能達到的最大功耗低得多。80 攝氏度的環境溫度使允許的最大功耗降至大約 170mW。
在使用這類封裝時，這些溫度方面的考慮事項只有一個解決辦法：需要降低功耗！NS公司的新型 PVIP（功率 VIP）工藝是一種專門針對電源管理的工藝。它提供了極度精簡的集成電路，它們的電阻非常低。這使芯片設計人員能提高電流和電壓，或縮小裸片尺寸而保持性能相同。

典型應用
在本文中，我們討論了使用反相拓撲結構的降壓穩壓器來產生負輸出電壓。這種拓撲結構的一個獨特之處是輸入電壓的絕對值可能低于或高于輸出電壓的絕對值。因此，對于需要降壓和升壓、并且負載的極性可被改變的每一種應用，都可以使用反相拓撲結構，而不是 SEPIC 拓撲結構。人們通常更喜歡這么做，這是因為可以節省額外的 SEPIC 感應器占用的空間和成本。
這種反相拓撲結構的一個典型應用也是依靠寬范圍的輸入電壓來驅動 LED。圖 3 顯示了這樣的一個設計實例。可以看出，穩壓器是參考了輸出電壓而不是接地電壓。例子中的負載是由兩個白光 LED 構造的。串聯時，它們的合計正向電壓大約是 8V。根據溫度和生產中正規分布的不同，這兩個 LED 的合計正向電壓可能在 7V 和 8V 之間。根據圖 3 顯示的電路，當使用了輸入電壓范圍是 3V-24V 的高端穩壓器時，輸入電壓的變化可以從 3V到24V。

尺寸比較
圖4顯示了NS公司的一種典型 SOT23-6 降壓評估板的圖片。板的尺寸僅為 2.1x1.9 厘米。為了便于比較，我們假定一個典型降壓要求：12V 輸入電壓，5V 輸出電壓，電流為 500mA。這種開關電路的典型效率是 80%。使用一個 LDO 來做相同任務，則需要一個大封裝，比如 to263 或 to220 封裝，這是由功耗決定的。在我們這個例子中，功耗是 (12V-5V)*0.5A = 3.5W。這意味著小輪廓封裝不能用于這種設計任務。具有必要輸入電容和輸出電容的一個 to263 封裝的 LDO 占用的電路板空間大約是 2x1.7 厘米。

結語
本文介紹了多種拓撲結構的降壓穩壓器和升壓穩壓器的可能使用情況，把它們與線性穩壓器的能力做了比較說明。目前正在提供或未來將提供的新型 SOT23 開關穩壓器系列，為“如何供應正確電壓給某種特定應用”這個老問題，提供了令人興奮的新解決方案。

圖1 LM2733典型應用

圖2 負升壓拓撲結構

圖3 負反向相拓撲結構的典型應用

圖4  典型SOT23-6降壓評估板