3V/5V双电源系统中的节能

星星科技指导员 2023-06-25 1658

描述

节能是较低电源电压和便携式电子系统的共同点。电池供电和便携式电子产品的首要需求——节省功耗——也是从5V转向3.3V（或更低）电源轨的主要优势。即便如此，大多数3.3V设计也包括5V IC，因为业界尚未为设计人员提供完整的3.3V功能选择。在此之前，许多便携式产品必须同时使用5V和3.3V IC工作。

如以下讨论所述，对目前可用的线性稳压器和开关稳压器有充分了解的设计人员可以很容易地在5V/3.3V系统中实现高效工作。此类系统包括通常需要降压转换的便携式计算机和通常需要升压转换的个人数字助理（PDA）。在这两种情况下，电流消耗都是最小的。

无论需要升压还是降压转换，您始终可以使用多个稳压器产生必要的电源电压。作为替代方案，您可以选择一个同时提供两者的IC。本文介绍的其他主题包括下一代单 IC、双 3.3V/5V 降压稳压器，以及为奔腾、奔腾 Pro 和电源 PC 等高速处理器产生高精度电源电压的 IC。

双稳压器降压配置

三种实用拓扑可用于使用两个降压稳压器从单个输入电压获得 5V 和 3.3V（例如）。它们是独立的 5V 和 3.3V 开关稳压器，并联到输入电压，5V 开关稳压器连接到输入并为 3.3V 开关稳压器供电，5V 开关稳压器连接到输入并为 3.3V 线性稳压器供电。第四种可能性——两个串联或并联的线性稳压器——对于大多数应用来说效率太低。

最有效的方法是两个连接到输入的开关稳压器。第二种方法——由3V开关稳压器供电的3.5V开关稳压器——乍一看很有吸引力，因为第二种开关稳压器的电压降较低（5V减去3.3V），因此功耗更低。然而，3.3V转换的总体效率（5V转换器效率乘以3.3V转换器的效率）相当差。无论哪种方式，使用两个开关转换器都能为您提供最高的效率。它还为您提供了最高的成本和最大的噪音，并且占用了最多的 PC 板面积。

如果线性稳压器仅提供适量的电流，则第三种拓扑结构很有希望。如果该稳压器的内部电源电流远小于其输出电流，则其效率仅为V外/V在乘以 100。因此，线性稳压器将5V转换为3.3V，效率为66%。对于某些应用来说，这种功率损耗是可以接受的，但请记住，必须将66%乘以5V开关电源效率才能获得3.3V转换的总体效率。

电源效率衡量电源中浪费的电量。在便携式电源中，这种功率浪费很重要，原因有两个：它看起来像热量，很难从紧密的外壳中去除，并且必须通过从电池中吸收更多电流来补偿，这会缩短电池寿命。

作为另一个考虑因素，线性稳压器通常需要在输入和输出之间具有一定的最小电压。降5V至3.3V的稳压器从输入到输出的电压为1.7V，但如果5V降至4.75V，输出上升至3.47V，则稳压器仅看到1.3V。这种稳压器可承受低输入至输出差分而不会损失稳压，称为“低压差”稳压器。因此，久负盛名的低成本7800系列线性稳压器不适合此应用，因为它们的压差太高。

线性稳压器本身所需的静态电源电流量也很重要。该电流水平主要取决于输入和输出之间的晶体管类型（称为“调整管”）。双极调整管比MOSFET调整管消耗更多的电流。为了说明这一点，ADI公司的MAX604是一款3.3V/500mA输出低压差线性稳压器，其MOSFET调整管允许的最大静态电源电流仅为35μA。

开关稳压器的选择受与控制方案类型相关的权衡的影响，无论是脉宽调制（PWM）还是脉冲频率调制（PFM）。PFM类型也称为“脉冲跳跃”稳压器。脉冲跳跃器的静态电流较低，但对于某些应用，PWM类型更好，因为其稳定的高开关频率允许使用较小的电感器和（通常）较小的滤波电容器。现代限流PFM转换器也包含小电感值，但由于通过电感的纹波电流较大，它们通常需要较低的ESR。

这两种类型的开关稳压器（PWM和PFM）通过它们产生的噪声类型进一步区分。所有开关稳压器都会产生噪声，但脉冲跳跃器在其噪声频谱中会产生额外的组件。由于PFM转换器通过一系列抑制开关的间隔来维持调节，因此它产生的输出傅里叶频谱的分量低于开关频率本身。

您应该意识到这种次谐波噪声，但在大多数应用中它没有任何影响。即使在对次谐波噪声敏感的应用中，如果峰峰值纹波幅度可以保持在足够低的水平，也不太可能注意到其影响。然而，电信行业往往对使用这种开关稳压器感到不安。

单IC降压转换器

便携式系统中的负载电流通常变化很大，这给设计人员带来了提高效率和减小元件尺寸的挑战。一种方案是MAX782等IC，它以最高效率为便携式系统提供多种稳压电源电压，以适应负载电流的变化。效率在由关断、挂起和运行工作模式表示的负载电流范围内至关重要。

关断时，便携式系统的负载通常由静态RAM、实时时钟和电源管理逻辑组成，因此静态电源电流仅为几百微安。MAX782通过两个低压差、微功耗线性稳压器适应这种状态，保持3.3V和5V输出，同时仅吸收70μA电池电流。由于负载较轻，线性稳压器的效率相对较差不是问题。

在挂起状态下，电源电流范围为 3mA 至 10mA，而主处理器以大大降低的时钟速率运行。线性稳压器在这些电流水平下消耗的功率不允许当今便携式系统预期的电池寿命。然而，由于开关损耗，这些相同的适度负载使得高频开关稳压器不合适。降低开关损耗的一种方法是减少开关频率。

通过以较低频率开关和降脉冲（脉冲跳跃），轻载MAX782转换器的开关量更小。对于较重的负载电流，它成为开关频率为300kHz的PWM稳压器，可实现高效率和小型外部元件。PWM和脉冲跳跃操作之间的转换在负载电流高于和低于满负载的27%时自动发生。这种模式转换可产生最佳效率：5V 稳压器在重负载下的效率为 95%，在负载电流低至满量程 80% 时效率超过 1%。

各种内置功能使MAX782能够节省电池电流。它控制一个外部同步整流器（一种具有低导通电阻的开关MOSFET，取代传统的肖特基整流器），从而降低轻负载和重负载下的整流器损耗。一旦芯片上电并工作，内部切换电路会自动将内部电源轨连接到效率为 95% 的 5V 电源。此外，输出电流限值的低电压门限可降低检测电阻的功率损耗。即使两个开关稳压器都工作，整个25W MAX782电路也仅消耗470μA的静态电池电流。

英特尔的奔腾和奔腾Pro，摩托罗拉的Power PC和其他高速处理器所需的电源电压范围低于3.3V。这些处理器对 V 有非常严格的公差要求抄送尽管它们对电源施加了快速的负载电流瞬变。MAX782及其衍生产品（MAX783和MAX786）通过增加外部运算放大器来增加稳压器的环路增益，从而轻松提供更高的精度。类似地，MAX797产生单路、高精度电源电压，用于微处理器内核逻辑的工作。

近期产品

新一代MAX782型双输出开关稳压器将提供增强的轻载效率、更低的压差和其他改进。这些新产品（MAX1996系列）将于1630年3月发布，还具有内部软启动功能、禁用轻负载脉冲跳跃模式、过压和欠压保护以及全关断工作模式。板载上电排序将允许3.5V出现在3V之前（反之亦然），并且每个电源电压将具有数字开/关控制。每个输出两个外部电阻将使IC能够产生3.5V和<>V以外的输出电压。

在当今的系统中，开关稳压器对最新动态时钟CPU产生的负载电流瞬变提供的响应极其重要。例如，即将推出的MAX1630系列IC产生的电源电压将在300kHz时钟的五个周期内从此类负载瞬变中恢复。

MAX1630 IC包括用于外部MOSFET的强大栅极驱动电路。（考虑到功率MOSFET的大栅极电容，其栅极驱动器必须提供惊人的大电流才能快速移动栅极电压。MAX1630内部的驱动器提供1.5A电流，确保外部n沟道MOSFET的快速开关。

MAX1630/MAX1633和MAX1632/MAX1635 IC除12V和120.5V稳压器外，均包含3V/3mA线性稳压器。MAX12/MAX1631器件代替1634V稳压器，接受来自变压器次级的反馈，并提供控制引脚，选择哪个稳压器（3.3V或5V）接收次级反馈信号。该信号有助于产生12V以外的辅助电压。它通过一个外部电阻分压器耦合，调节次级绕组的电压调节点。图1显示了一个简化的应用电路，不包含变压器，因此仅产生两个输出电压。

MOSFET

图1.该标准应用电路采用第二代多输出降压型DC-DC转换器IC。

MAX1633-MAX1635 IC缺少MAX1630-MAX1632器件内部的欠压和过压保护，用于原型板的故障排除，也用于电源电压由保活电源保持的应用，否则会干扰过压保护电路。

双稳压器升压配置

其中一个双稳压器升压拓扑采用一个开关稳压器升压至 5V，采用线性稳压器从 5V 降压至 3.3V（图 2）。该电路以效率换取简单性。升压效率通常小于降压效率，从输入到3.3V的总转换等于5V稳压器的升压效率乘以66%（线性稳压器的输出超过输入的倍数为100）。

MOSFET

图2.这种组合通过一个开关稳压器升压和线性稳压器下调产生 5V 和 3.3V 稳压输出。

您可以通过用另一个开关稳压器替换线性稳压器来提高转换效率，该稳压器从V升压在至3.3V，但代价是成本、输出噪声和电路板面积增加。在轻负载应用中，请注意，MAX866升压开关稳压器可以代替MAX1771，允许从较低电压启动，如单节电池。由于最小启动电压是负载电流的函数，因此必须在最大预期负载下测试此参数。例如，MAX866在空载时保证启动电压不超过0.9V，在1mA时保证启动电压为2.20V（未保证）。

为了能够以尽可能小的电源电压启动，工程师有时会安排仅在稳压器启动后连接负载。启动后，自举配置中的升压型开关稳压器能够在低于其最小允许启动电平的电源电压下运行。这种行为有利于连续运行的电池供电系统;当电池新鲜时，它们很容易启动，并在电池电压下降到远低于最低启动水平时继续运行。例如，MAX866继续提供20mA电流，而输入电压可能降至1.0V。对于以较高启动电压为代价的较大负载电流，请考虑MAX1771或MAX856系列稳压器。

最后，ADI公司提供一款双电压升压稳压器，可产生3.3V和5V电压，具有中等输出电流能力（图3）。其主开关稳压器产生 3.3V 电压，电流为 I外能力（最大800mA）与输入电压成正比。辅助 5V 电源需要一个外部 MOSFET 和检测电阻器，其最大允许输出电流取决于 V在、限流电阻器和其他外部元件。

MOSFET

图3.一个单IC双输出升压开关稳压器产生3.3V和5V输出。

MAX720不仅通过可选的壁式立方体电源输出工作;通过监控壁立方体连接，当墙面立方体电源可用时，它通过关闭主 5V 电源来延长电池寿命。还提供一种关断模式，该模式禁用两个开关电源，但线性稳压器工作时（通常通过墙上立方体的电源）会进行超控。

审核编辑：郭婷

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