专为便携式系统的处理器供电的双路同步稳压器电路

2008-11-12 18:21:29来源: 无锡芯朋微电子有限公司

      便携式电子产品在提供更丰富的功能的同时对电能和不同电压轨的需求也日益增多。由于负载增加,许多电压轨首选DC/DC方式来供电。具有六路以上输出的电源转换器存在布线对PCB面积需求大以及系统配置不灵活的缺点,相比之下,双路或三路输出的电源转换器具有很好的适应性。它们既有单路电源的集成度,又比多路电源有着更好的灵活性,且能靠近负载放置。

      如今便携式产品中的处理器通常需要两路电压轨供电:一路为I/O口供电,一路为处理器核供电。大多数情况下,为确保处理器在上电前被可靠复位,还需提供一个合适的复位信号。具有复位信号输出的双路电源转换器AP2802专为上述要求而设计,是为便携式系统中的处理器供电的理想选择。

      AP2802采用3×3mm的DFN10或MSOP10微小型封装,占位面积小,其1.5MHz的开关频率允许采用更小小巧的外围电感和滤波电容,方便PCB布局。

      开关稳压电路最重要的一个指标是负载能力。AP2802的标称负载能力为每路600mA,简单来看,这两路都可以输出600mA的电流,但实际上评估开关稳压器带载能力还必须考虑其它几个指标:输出电压变化幅度、效率以及输出纹波幅度。通常,输出电压随负载增加而缓慢下降(负载线性度指标),当输出电压下降百分比大于标称精度(目前电源电路的标称精度通常在±3%之内)时,即便电源电路仍能输出更大电流,但已无任何意义。电源转换效率是开关电源电路的一个重要指标。如果满载效率低于80%,则给出的负载能力就不是真实的。如果负载变大时纹波也变得很大,则将处于过载状态。因此,不能简单孤立地看负载指标,而必须同时关注在这个负载下的其它重要相关指标的变化。从表1给出的测试数据和图3给出的效率曲线(在AP2802演示板上实测绘制)可知,AP2802的标称600mA负载能力从输出电压值、效率和纹波上看均名符其实,而且还有100mA以上的裕量,可以满足当今绝大部分便携式产品中的处理器的要求。

双路电源转换器AP2802的典型应用电路图。

      AP2802还为处理器提供上电复位的信号POR/,以确保处理器在上电后能得到正确复位。当AP2802输入电源脚VIN端上电,两路输出电压均达到预设电压后,POR/仍保持在低电平状态,并在大约170ms后通过外部上拉电阻输出高电平,从而完成对处理器的复位信号功能。在工作状态中,如果两路中任一路的输出电压偏离设定值约8.5%,则复位功能被重新激活。当电压恢复到设定范围内,POR/保持低电平约170ms后再恢复到高电平,完成对处理器的复位工作。这样就能保证当系统电源出现异常波动后,迅速对处理器进行重新启动,避免处理器由于电源波动而失控。图4是在演示板上用示波器记录下的波形。波形1是其中一路的1.8V输出电压,波形2是POR/的变化。在输出端施加一瞬间的干扰信号,图中用示波器触发输出端于1.62V,即可观测到复位信号的产生。

AP2802的脚位图。

      两路输出都由各自的使能端独立控制。当使能端为低电平时,相应输出被禁止;当使能端为高电平时,相应输出电压可达到预设值。如果不考虑两路输出电压之间的延时,可将两个使能端直接与输入电源相接。如果要控制两路输出的时序,除了可采用专用定序器控制两个使能端外,也可以采用简单的阻容元件接在使能端上。不同的阻容搭配使得两个使能端按所需的先后顺序及间隔变成高电平,从而实现两路电压输出的时序要求(图5)。

AP2802在3.3V和1.8V输出时的效率曲线。

      开关电源的电源转换效率与负载大小、输入和输出电压相关。一般而言,输入输出电压越高,效率越高;输入输出之间的电压差越小,效率越高;负载电流越接近中间值,效率越高。当系统的工作电压确定后,转换效率将明显地受负载电流变化的影响:负载减小,效率下降;负载增大,效率也下降。实际系统中的负载电流的变化范围很宽,当选定的稳压器能满足所需的最大负载要求时,实际的负载电流在其最大值与零之间不断地变化。这种变化与系统的三种工作状态(停机、待机、工作)相对应。

输出扰动与复位信号。

      当系统处于停机时,由于处理器不消耗能量,所以电源转换器可以停止转换,以节省电池消耗。通过转换器的使能端可以方便地达到这个目的。

      当系统处于工作状态时,处理器的电流根据计算量的复杂度从几十毫安到最大负载电流之间不断变化,所以,保持电源转换器正常工作即可实现合乎要求的高效率。

AP2802在3.6V输入/1.8V输出时的测试数据。

      当系统处于待机状态时,处理器的大部分计算工作已停止,只有极小部分工作还处于待命状态。尽管此时仍要求电源转换器提供正常电压,但消耗的电流却很小,只有几个毫安,甚至更低(仅微安级别)。此时,如果转换器仍按正常方式工作,则转换效率显著降低。因为转换器本身的耗电已与输出的负载电流相当,甚至比负载电流更大,所以效率指标变劣。这种状态在便携式产品中持续的时间往往最长,这就变得不可接受了。

      因此,电源转换器本身需具有一定的智能性,即当输出负载电流低与某个值时,必须改变工作方式,进一步降低自身电源消耗,以便在系统待机时仍保持很高的转换效率。AP2802的MODE控制脚与此功能有关,它可以让转换器在极小的负载状况下仍保持很高的转换效率。当模式MODE脚接高电平时,AP2802自动根据负载电流大小,改变内部开关操作的方式:当负载较大时以PWM方式进行开关操作并提供低纹波输出的大电流,以满足处理器的大电流需求;当负载下降到一定程度时,转换器以类似PFM的方式操作,在提供正确电压时大大降低自身消耗,以保持高转换效率。

使能端上电时序控制电路图。

      转换器一旦设计完成投入批量供货,其内部的负载电流判别点也就固定了下来,不能再改变。但是,实际应用系统是千差万别的,转换器内部已固定的负载电流判别点如果不适合某个特定系统,则会对系统的正常工作产生不利影响。MODE脚提供了这样的功能:当其固定接低电平时,转换器一直保持PWM方式,向负载提供低纹波的输出电压;当处理器需要待机时,可以发出信号使MODE脚的电平为高,让转换器根据此时的电流大小自动进入PFM工作方式,达到提高转换效率的目的;当处理器重新工作时,再使MODE电平为低。这样,在恰当的控制信号作用下即可保证无论系统工作在什么状态下,转换器的效率都很高。

      AP2802的输入电压范围为6.5~2.5V,最低输出电压可低至0.6V,可以采用两个反馈电阻设定所需的高于0.6V的电压,这对锂电池供电和4节AA电池供电的产品而言是非常好的选择。因为采用了1.5MHz高频工作,可选用2.2uH小尺寸电感和10uF小型陶瓷滤波电容,占用极小的PCB面积。更详细的规格和性能可参阅其数据手册。

      总之,AP2802以其综合性的功能及小巧的外形和周边元件,必将相助便携式产品的设计。

关键字:稳压器  AP2802  处理器

编辑:王程光 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2008/1112/article_770.html
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