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无电感器的开关调节器功用

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增大字体作者：佚名来源：本站整理发布时间：2011-06-06 14:42:47

无电感器的开关调节器

从前基于电感器的开关调节器(SRs)被认为是最佳的电源架构。但如今对于低功率和高集成度的电子系统www.，基于嵌入式电感器的SR具有多个约束，而这些约束都能利用

无感架构予以克服。本文基于实现成本(BOM和引脚数)及性能(效率，噪声及可靠性)，针对上述两种架构提供了量级并进行了定量比较。

实现成本和BOM清单

基于电感器的调节器(图1)的第一个8tt t 8. com最www.hnygpx.com的一项约束www.hnygpx.com成本和电感器尺寸。绝大多数8 tt t 8. com下，电感器支配了集成SR的成本和尺寸。dd dtt. com解决^{8t t t 8. c o m}该问题，负责成本预算的消费产品设计师试图选用便宜的功耗大的电感器，但这将会降低功率效率。例如，8 tt t8.com在基于电感的SR中选用便宜的电感器来代替低ESR(等效串联电阻)电感器，将会损失高达10%的效率。从而基于电感的SR的优点将不复存在。

图1:普通的基于电感的升压(a)降压(b开关调节器。

另一方面_{www.sSbbww.com}，无感SR(图2)只需要sSbBwW.cOm采用一个或两个小型且便宜的陶瓷电容器(飞跨电容Cf1和Cf2)来代替昂贵的电感器。事实上，对于给定的输出电容，电感器的成本大约是飞跨电容的5-10倍，且体积比也达到了5-10倍甚至更高。

图2:普通的无感开关调节器(a)，带有飞跨电容的普通无感开关调节器(b)。

小电流时(<25mA)，甚至www.ssbbww.com把飞跨电容集成到硅片内，从而为高效率集成转换提供极高的集成度。www.调节器只需要sSbBwW.cOm一个外接输出电容器。

在

已出版的有关采用嵌入式电感的集成SR的资料中都已明确地指出，这类SR需要采用非常高的开关频率，最终都落入人们的注意力之外，原因在于效率低，硅片尺寸大，还需要射频工艺。

还需注意的是，dd dtt. com确保调节环路稳定和最佳性能，通常还需要sSbBwW.cOm外部元器件来补偿由LC滤波器(电感器和输出电容器构成)所形成的共轭极点。而在无感调节器中则无需补偿，从而减小了无源元器件的成本。

所需的引脚数可能www.ssBBww.cOm是无感方案中的主要问题。从图1和2中www.ssbbww.com看到，基于电感的SR需要sSbBwW.cOm4个引脚(VIN，VOUT，VX，和GND)，而无感SR中则需3-7个引脚(VIN，VOUT，Cf11，Cf12，Cf21，Cf22，和GND)，具体要取决于输出电流容量和VIN与VOUT的比值。

同样如上所述，在电感式解决^{8t t t 8. c o m}方案中需要sSbBwW.cOm外部无源元件，这通常需要sSbBwW.cOm另外2个引脚。

总起来，电感式解决^{8t t t 8. c o m}方案需要sSbBwW.cOm4-6个引脚，而无感方案则需要sSbBwW.cOm3-7个引脚。

性能和效率

无感SR，也叫做电荷泵(图2)，众所周知，当输入电压可变时，其效率要低于电感式解决^{8t t t 8. c o m}方案。但自从多模无感SR产品开发出来后，上述这种说法就不再成立了。这种方案在SsbbwW.com的电池电压范围内，所提供的平均效率与电感式SR相类似。

的确，在电荷泵转换器中，可利用

多种拓扑结构来实现不同的转换比。例如，对于采用2个飞跨电容和不同开关模式的无感SR，

实现11种电压转换比:即4/1，3/1，2/1，3/2，4/3，1，3/4，2/3，1/2，1/3以及1/4。如今

实现在

这些转换比之间

进行自动选择的无感SR。效率为:

通过监控VIN和VOUTwww.ssbbww.com发现，SR将自动选择合适的转换比，根据VIN/VOUT工作点实现最高效率。例如，图3所示_ssBbww即为在2.6-5.5V的输入电压范围内以及针对两个不同的输出电压值，带有两个飞跨电容器的无感SR的效率曲线。

可见，这类的SRwww.ssbbww.com在整个输入电压范围实现高于80%的平均效率，很显然这与电感式解决^{8t t t 8. c o m}方案所能实现的效率处于dddTt.com的范围。同样，对于像VIN=5V与VOUT=3.3V(USB电源线到I/O或模拟电压领域)这样的固定转换比，效率www.ssbbww.com高达85%。

图3:无感开关调节器中效率与输入电压的关系。

www.ddd tt. com便携式电子系统中有多种操作模式，系统和不同子模组的电流消耗的变化很大。为这些子模组供电的SR必须_{ssbbww. c om}在很宽的电流范围上实现高效率。因此www.8 t tt8. com，效率的另一个www.hnygpx.com方面_{www.sSbbww.com}是其如何响应SR负载电流的变化。绝大多数电感式SR采用一个PWMssbbwW.com环路。这种方案在负载最重时www.ssbbww.com实现高效率，但当负载减轻时其效率迅速下降。

图4显示了在PWM电感式SR中效率对负载电流的依赖性。图中可见，轻负载时效率迅速下降。dd dtt. com在较轻负载时维持效率，通常电感式SR采用耗能较小的解决^{8t t t 8. c o m}方案，如PFM或PSM(脉冲跳频调制)。dddTt这类调制方案的缺点是严重地降低了SR的调节性能，还大大增加www.8 t tt8. com了固有的输出噪声。

图4还显示了电感器的ESR对最大可实现效率的影响。dd dtt. com真正实现电感式SR提供商的数据手册中所标明的效率，就必须_{ssbbww. c om}采用超低ESR的电感器，但这种电感器总是既大又贵。事实上，出于成本约束方面_{www.sSbbww.com}的原因，系统或生产工程师www.ssbbww.com是寻找便宜的电感器。因此www.8 t tt8. com，电感式SR在较高的电流输出范围内(IOUT的10%-100%)的平均效率www.ssbbww.com是位于80%到85%之间

，如图4所示。实际上，电感式方案的平均效率已经降到了

于无感SR方案中体积又小、价格又便宜的陶瓷电容器

，即便是采用便宜的电感器，其尺寸和成本也显得很不值得的

。

无感式SR在轻负载8 tt t 8. com下也会有同样的效率损失。然而，像DOLPHIN的SRO-2.6~5.5/1/8~3.3这类产品，采用了创新的ssbbwW.com方案，减小了随着负载减轻时SR的功率损失，ssbbww. comSSBBww将效率保持在最佳-即满负载时的99%，而ssbbwW.com性能和噪声性能也没有任何

损失。

图4:PWM电感式SR(a)和DOLPHIN公司SRO-2.6~5.5/1.8~3.3无感式SR(b)的效率与负载之间

的关系，工作条件为VIN=3.3V&VOUT=1.8V。从前基于电感器的开关调节器(SRs)被认为是最佳的电源架构。但如今对于低功率和高集成度的电子系统

，基于嵌入式电感器的SR具有多个约束，而这些约束都能利用无感架构予以克服。本文基于实现成本(BOM和引脚数)及性能(效率，噪声及可靠性)，针对上述两种架构提供了量级并进行了定量比较。

实现成本和BOM清单

图1:普通的基于电感的升压(a)降压(b开关调节器。

图2:普通的无感开关调节器(a)，带有飞跨电容的普通无感开关调节器(b)。

在

同样如上所述，在电感式解决^{8t t t 8. c o m}方案中需要sSbBwW.cOm外部无源元件，这通常需要sSbBwW.cOm另外2个引脚。

总起来，电感式解决^{8t t t 8. c o m}方案需要sSbBwW.cOm4-6个引脚，而无感方案则需要sSbBwW.cOm3-7个引脚。

性能和效率

的确，在电荷泵转换器中，可利用

多种拓扑结构来实现不同的转换比。例如，对于采用2个飞跨电容和不同开关模式的无感SR，

实现11种电压转换比:即4/1，3/1，2/1，3/2，4/3，1，3/4，2/3，1/2，1/3以及1/4。如今

实现在

这些转换比之间

通过监控VIN和VOUT

发现，SR将自动选择合适的转换比，根据VIN/VOUT工作点实现最高效率。例如，图3所示即为在2.6-5.5V的输入电压范围内以及针对两个不同的输出电压值，带有两个飞跨电容器的无感SR的效率曲线。

可见，这类的SR

在整个输入电压范围实现高于80%的平均效率，很显然这与电感式解决方案所能实现的效率处于

的范围。同样，对于像VIN=5V与VOUT=3.3V(USB电源线到I/O或模拟电压领域)这样的固定转换比，效率

高达85%。

便携式电子系统中有多种操作模式，系统和不同子模组的电流消耗的变化很大。为这些子模组供电的SR必须在很宽的电流范围上实现高效率。因此，效率的另一个

方面是其如何响应SR负载电流的变化。绝大多数电感式SR采用一个PWM

环路。这种方案在负载最重时

实现高效率，但当负载减轻时其效率迅速下降。

图4显示了在PWM电感式SR中效率对负载电流的依赖性。图中可见，轻负载时效率迅速下降。

在较轻负载时维持效率，通常电感式SR采用耗能较小的解决方案，如PFM或PSM(脉冲跳频调制)。

这类调制方案的缺点是严重地降低了SR的调节性能，还大大增加了固有的输出噪声。

图4还显示了电感器的ESR对最大可实现效率的影响。

真正实现电感式SR提供商的数据手册中所标明的效率，就必须采用超低ESR的电感器，但这种电感器总是既大又贵。事实上，出于成本约束方面的原因，系统或生产工程师

是寻找便宜的电感器。因此，电感式SR在较高的电流输出范围内(IOUT的10%-100%)的平均效率

是位于80%到85%之间，如图4所示。实际上，电感式方案的平均效率已经降到了

于无感SR方案中体积又小、价格又便宜的陶瓷电容器

，即便是采用便宜的电感器，其尺寸和成本也显得很不值得的

无感式SR在轻负载

下也会有同样的效率损失。然而，像DOLPHIN的SRO-2.6~5.5/1/8~3.3这类产品，采用了创新的

方案，减小了随着负载减轻时SR的功率损失，

将效率保持在最佳-即满负载时的99%，而

性能和噪声性能也没有任何

图4:PWM电感式SR(a)和DOLPHIN公司SRO-2.6~5.5/1.8~3.3无感式SR(b)的效率与负载之间的关系，工作条件为VIN=3.3V&VOUT=1.8V。

总之，图3和图4明确地显示了当根据效率来选择SR时，还要进一步考虑在最大负载条件下的可实现效率，以及随着系统中不同工作条件下(VIN，VOUT，IOUT)的效率变化。

一个

的应用判据是SoC电路电源

接受的噪声。调节器所提供的电压源有两个贡献源:一是从调节器输入耦合到输出上的噪声，被称

PSSR(电源抑制比)，另一个则是调节器自身的固有噪声。只要调节器具有足够的带宽和开环增益，无论是电感式还是无感式SR都能实现很高的PSSR。然而，这些调节器的开关特性是的固有噪声(调节器自身产生)成为主导噪声。因此首选的

要选择固有噪声最小的SR。

图5给出了无感式和电感式开关调节器的固有噪声(

闪烁噪声和热噪声以及输出纹波)。这两种结构都在开关频率fsw与其谐波上呈现较高噪声。

SR的负载对某些频率敏感，则SR开关频率必须位于该敏感频率范围之外。

对于电感式SR，在由电感和输出电容构成的LC滤波器谐振频率附近还分布着附加噪声。该频率为:

减小开关固有噪声的幅度

通过增加输出电容值来实现。不过，这将会把LC滤波器的谐振频率移入敏感的音频段的更深处。

人们为什么希望降低电流纹波？有三个主要原因:即降低输出电压的纹波，降低衬底电荷的注入，以及在更大的输出电流范围被保持最佳的效率。

第一个原因是相当清楚的，

电感式SR的输出电压纹波与流经电感器的电流纹波成正比。

要理解第二个原因，需要回顾一下电感式SR的基本原理。

简单化，

采用电感式降压SR

例子。但要注意这里所讨论的概念也同样适用于电感式升压SR。

将其分为两大类(图6):即异步(a)和同步(b)调节器(也有

异步SR有一个主要优点，即比较简单，但

二极管耗散了

在非重叠期间，两个开关都处于关断

，流经电感器的电流在两个开关图(6b中的VX)之间建立起一个电势，该电势将会激活开关的体二极管，并将电流直接注入到衬底中。这将产生衬底噪声，而且当SR的布线不好时，会增加闭锁的出现概率。显然，电流纹波越大，注入到衬底的瞬态噪声也就越大，这将引起很大的地噪声。此外，要评估

仿真这类噪声对转换器乃至整个系统的影响是极其困难的。

消除这一问题以及潜在危险

的唯一方法是在Vx上增加一个外部低Vth的肖特基二极管。该二极管将会在开关的体二极管之前被激活，从而消除了衬底电流注入。但这将增加BOM成本，且这一问题本来就已经是电感式SR的一个致命缺点了。

另一方面，在无感式SR中，注入到衬底中的噪声唯一来源是通过寄生电容的耦合而产生。因此，无感式SR产生的衬底噪声不会高于任何

采用电感式SR的另一个不便之处是其潜在的EMI，这将随着系统的其他部分而产生。在PCB上有开关式电感器，基本上都会辐射图5所示频谱的电磁波。敏感的RF或模拟电路性能将会把此电磁现象大大改变，况且还极难预测或仿真。

SR也可能成为其他的电磁干扰源的受害者，

这些干扰源将会通过电感器把噪声耦合到VOUT上。这是另一种难以预测和仿真的噪声源。

这些EMI问题

通过屏蔽式电感器来解决，但不幸的是这又要增加成本，屏蔽式电感器要比非屏蔽式更贵。

如图7中所示，节点VX上的势能可能达到VIN+Vth或-Vth。这将会产生高压，从而

长期的可靠性问题。当SR的供电电压高于工艺技术所规定的电压(如4.2V锂电池)时，

将会更糟。而这种‘超’压问题在无感式SR中将不会存在，从而将具备更高的电压可靠性，

说更

下表总结了低功耗、高集成度的便携式电子系统中所用的电感式和无感式集成SR的优缺点。

总之，

坚信无感式开关调节器将提供一个更具成本效益的解决方案，

替代传统的电感式开关调节器，集成到便携式消费电子设备所用的SoC中。

的优缺点。 onclick=javascript:window.open(this.src) src="http://t./d/p/20096718354934.jpg">

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