DC-DC轉換器原理及應用

DC-DC轉換器原理及應用

　當您電池的最后一焦耳電能被耗盡時，功耗和效率就將真正呈現出新含義。以一款典型的手機為例，即使沒有用手機打電話，LCD屏幕亮起、顯示時間及正在使用的網絡運營商等任務也會消耗電力。如果它是一款更高級的手機，還可以播放您喜愛的MP3音樂或瀏覽視頻數據。不過，每為手機增加一種功能，實際上也增加了電池的負擔。對于大多數手機設計者來說，能否延長可用電力的使用時間是您的手機在下次充電前能夠持續多久的關鍵。這意味著電力需要在各種功能模塊間小心謹慎地保護和預算，以最大限度地延長電池壽命和使用。
　　要實現真正的效率，并不僅僅意味著DC-DC轉換器在負載指定的某個操作點可以獲得多高的效率，而是在DC-DC轉換器整個載荷范圍內這種高效率能夠維持多久。一般來說，大部分DC-DC轉換器都指定可以達到的最大效率數字，而且人們也通過選擇一個非常大的數字（如95%），毫不猶豫地選擇一個合適的轉換器。然而，要真正地充分利用這個效率，還需要把轉換器的曲柄轉到可以實現最大功率轉換的操作點上。如果未轉到這個點，就不能達到95%的效率。而且因為這個問題，根據所應用的載荷，有時甚至達不到60%的效率。

　　圖1 典型效率曲線
　　圖1顯示在A點可達到95%的效率，在B點卻只能達到60%甚至更低的效率。對于便攜式消費產品，操作點或負載標尺上的這種差異將非常重要，因為大部分這些電子器件都有多種功能（如播放音樂、拍照或撥打電話），每種功能都要求一個不同的操作點或不同的DC-DC調節器有效負載。對于那些用戶未調用的功能，DC-DC源的功率負載會非常輕，95%的效率將會銳減為50%甚至更低，因為是在圖1中的B點。
　　以智能手機為例，在智能手機中，為AP（應用處理器）IO或核心電壓供電的DC-DC轉換器將在多長時間內把電池內的電力耗盡，這點非常重要。假設您的手機電池在正常使用時（即主要是撥打語音電話）可持續供電最多2～3天。在這段時間（48～72小時），通常只有一小部分電力用于娛樂活動，如照片的拍攝和瀏覽或者MP3音樂的播放。它意味著在剩余時間，手機不需要AP完成太多任務；可能只是在AP處于待機或休眠模式中用來刷新DDR存儲器。因此，如果AP經常處于這些模式中，它帶給轉換器的負載將在標尺的輕負載一端，即B點。這表示，AP調節器的功率將永遠以50%甚至更低的功效運行，使它成為電池的一個最大消耗源?？梢?，僅選擇一個具有高效率規范的DC-DC調節器是不夠的。還需要確保調節器在整個負載范圍內都能提供高效率，尤其在輕負載和滿負載時。

　　圖2 提高輕載荷時的效率
　　針對這一問題，需要創新的解決方案。以飛思卡爾推出的一種全新的DC-DC降壓轉換器為例，它可在輕負載時提供高效率。MC34726/7系列是同步降壓轉換器，可以提供高達300mA或600mA的電流，同時實現90%的高效率。轉換器的效率如圖2所示，它可以在整個負載范圍維持高效率，在接近最高負載時達到頂峰。對于輕負載（B點），效率也能維持在80%以上。該器件利用專用的可調節Z因子模式（Z-Mode）切換架構，實現了PWM和PFM間平穩的轉換，而不會犧牲瞬態響應、偏壓電流或效率。因此，Z-Mode架構極大地提高了負載電流轉換期間的性能，在提供更好的瞬態響應的同時，仍在“休眠”Z-Mode中維持輕負載65μA的低偏壓電流。

　　圖3 典型應用圖
　　該器件接受2.7～5.5V的輸入電壓范圍，并能夠在300mA/600mA的持續負載電流中提供0.8～3.3V的輸出電壓。此外，其2MHz或4MHz的高交換頻率也使得它非常適合空間受限的便攜式器件，如手機、PDA、DSC、PND、GPS、PMP和其他便攜式儀器。圖3顯示的是該器件的一個典型應用。