系統(tǒng)設(shè)計工程師面臨著設(shè)計出具有更多功能的產(chǎn)品，同時維持或降低成本的壓力，因此需要考慮采用技術(shù)先進的器件。為了生產(chǎn)出具更多功能和合理成本的集成電路（Integrated Circuit， IC）， IC 生產(chǎn)廠家需要減小整個硅片的面積。然而，如果不做一些系統(tǒng)設(shè)計方面的權(quán)衡，就無法獲得硅片面積縮小而帶來的功能和成本方面的優(yōu)勢。這些具有更小幾何尺寸的IC通常其最大工作電壓為3.0V 或更低，而不是現(xiàn)有的最大5.0V 電壓。本應(yīng)用筆記旨在向系統(tǒng)設(shè)計工程師概要地提供一些不同方法，用于將現(xiàn)有5.0V系統(tǒng)電壓轉(zhuǎn)換成3.0V穩(wěn)壓輸出。本應(yīng)用筆記中討論的方法為低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）、電荷泵和降壓（buck）開關(guān)轉(zhuǎn)換器。也有一些其他選擇，但是它們不能提供3.0V 穩(wěn)壓輸出。在本文檔的末尾有對這些選擇的小結(jié)，并提供了包含詳細應(yīng)用筆記和數(shù)據(jù)手冊標題的參考資料章節(jié)。
低壓差線性穩(wěn)壓器將5.0V 總線電壓轉(zhuǎn)換成所需的3.0V 穩(wěn)壓的最簡單方法是使用低壓差線性穩(wěn)壓器。LDO 實質(zhì)上是提供閉環(huán)控制的三端線性系統(tǒng)。這種方案很容易實現(xiàn)，只需器件本身和輸入/ 輸出電容。
LDO 工作原理
從圖1 我們可以看出， LDO 由四部分組成：1）功率晶體管，2）帶隙參考源，3）運放，4）反饋電阻。LDO可以被想象成一個可變電阻。輸出電壓通過分壓電阻分壓，并與帶隙參考源的固定基準電壓比較。運算放大器根據(jù)其輸入端的電壓來驅(qū)動功率晶體管。總線電壓和所需的輸出電壓之間的電壓差降在功率晶體管上。當功率晶體管（圖中為P 溝道MOSFET）完全導(dǎo)通時，存在一定的阻抗，從而產(chǎn)生壓降。最小壓差VDROPOUT 將決定為保持輸出電壓的穩(wěn)定，總線電壓必須高出輸出電壓的數(shù)值?；贚DO 的計采用LDO 很容易產(chǎn)生非常穩(wěn)定的3.0V 輸出。在使用LDO 時，電路設(shè)計工程師只需要考慮幾個參數(shù)。一個參數(shù)為輸出電壓。許多LDO 提供標準的固定電壓輸出，通常包含3.0V。然而，有些LDO 提供可調(diào)電壓輸出。此時要求設(shè)計人員增加外部的反饋分壓電阻。另外一個LDO 參數(shù)為帶負載時的典型壓差。輸出電壓和典型壓差的和必須小于最小輸入電壓。如果兩者之和超過最小輸入電壓，則LDO 在最小輸入電壓時，輸出電壓不能穩(wěn)壓。另外一個不可忽略的重要參數(shù)為有些LDO 對輸出電容的要求。某些LDO 要求輸出電容為鉭電容或鋁電解電容來使系統(tǒng)穩(wěn)定。與陶瓷電容相比，這些電容具有很高的串聯(lián)等效電阻（Equivalent Series Resistance，ESR）。在需要大容量電容時，鉭電容或鋁電解電容通常比陶瓷電容便宜，但是其尺寸會比較大。
理解LDO IGND 參數(shù)
在圖1 中標出了三個電流參數(shù)：IIN、IOUT 和IGND。IGND
為LDO 實現(xiàn)穩(wěn)壓工作時消耗的電流，在空載時稱為靜
態(tài)電流（Iq）。由于Iq 參數(shù)根據(jù)特定LDO 或生產(chǎn)工藝而
差異很大，因此有必要理解這項參數(shù)如何影響系統(tǒng)的性
能。
LDO可以作為高效的降壓穩(wěn)壓器。當LDO輸出電流遠遠
大于器件的靜態(tài)電流時，系統(tǒng)的效率為輸出電壓除以輸
入電壓，如公式1 所示。
公式1：
在輕載電流時，系統(tǒng)效率是Iq 對系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響之一?；緛碚f，具有低Iq 的LDO 只在輕載時效率較高。這是因為負載電流增加時， Iq 只占IIN 總電流的很小一部分。圖2 顯示了Microchip 的兩個LDO：MCP1700和TC1017 的效率曲線?？梢钥闯觯p載時MCP1700的效率比TC1017高得多，就是因為TC1017的IQ較高。
圖2： LDO 效率比較
具有較高Iq 的LDO 可以大大提高系統(tǒng)的線路和負載階躍響應(yīng)性能。由于Iq 被LDO 用來實現(xiàn)穩(wěn)壓工作， Iq 較高的LDO 對負載需求或線路電壓的突變可作出更快的響應(yīng)。
電荷泵
電荷泵是另外一種將5.0V 系統(tǒng)電壓轉(zhuǎn)換成單片機或其他邏輯電路所需3.0V 穩(wěn)壓的拓撲結(jié)構(gòu)。電荷泵也稱為無電感直流- 直流轉(zhuǎn)換器或開關(guān)電容電路，具有與LDO同樣的易用性。與LDO 一樣，電荷泵也需要輸入/ 輸出電容和反饋分壓電阻網(wǎng)絡(luò)。然而，電荷泵額外需要一個電荷存儲電容，這個電容也經(jīng)常被稱為電荷泵電容（fly capacitor）。電荷泵有許多不同的類型。一些常見的類型為：反壓型電荷泵、倍壓電荷泵、穩(wěn)壓降壓電荷泵、穩(wěn)壓升壓電荷泵和穩(wěn)壓升/ 降壓電荷泵
穩(wěn)壓輸出降壓電荷泵的工作原理
Microchip 的MCP1252/3 是一款正電壓穩(wěn)壓電荷泵。與絕大數(shù)電荷泵一樣，它使用四個MOSFET 開關(guān)控制電荷泵電容的充電和放電，從而使輸出電壓穩(wěn)壓。然而，與絕大數(shù)電荷泵不同的是， MCP1252/3 的輸入源電壓可以比輸出電壓低，也可以比輸出電壓高，它會自動在升/ 降壓工作模式下進行切換?？紤]到本應(yīng)用筆記的目的，只討論降壓這種工作模式。請參考MCP1252/3 數(shù)據(jù)手冊（DS21752A_CN）獲取關(guān)于升/ 降壓工作模式的詳細介紹。從圖3 可以看出，內(nèi)部比較器U1 決定著MCP1252/3 工作在何種模式。在降壓模式，正輸入節(jié)點的電壓比負輸入節(jié)點要高，開關(guān)SW1 常閉合，開關(guān)SW2 常開。當MCP1252/3 沒有工作在關(guān)斷（Shutdown）模式并達到穩(wěn)態(tài)條件時， MCP1252/3 的工作分成三個階段。在第一階段，通過在1/2 內(nèi)部振蕩周期內(nèi)閉合開關(guān)SW3，電荷從輸入源轉(zhuǎn)移到CFLY。一旦第一階段結(jié)束，所有開關(guān)打開并進入第二階段（空閑階段）。MCP1252/3 比較參考電壓VREF和反饋電壓。如果反饋電壓低于穩(wěn)壓點，則器件轉(zhuǎn)換到第三階段。在第三階段，通過閉合開關(guān)SW4將CFLY上的電荷轉(zhuǎn)移到輸出電容COUT和負載。如
果達到穩(wěn)壓，則器件轉(zhuǎn)換回空閑階段。如果在1/2 內(nèi)部振蕩周期的電荷轉(zhuǎn)移過程中， CFLY 需要更多的電荷，則MCP1252/3 返回第一階段。
引腳上的紋波。輸出電壓紋波受輸出電容容量的影響。高電容容量可以減小輸出紋波，但是會以延長退出關(guān)斷后的啟動時間和增大浪涌電流為代價。電荷泵電容控制著電荷泵的容量。然而，選擇這個電容的容量也需特別留意。要記住電荷泵電容的最大充電時間為1/2 電荷泵振蕩率。充電時，它與兩個開關(guān)的導(dǎo)通電阻相串聯(lián)。這個RC 電路的充電時間常數(shù)應(yīng)低于最大充電時間。降壓開關(guān)穩(wěn)壓器降壓（Buck）轉(zhuǎn)換器是最簡單的開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器之一。降壓轉(zhuǎn)換器是基于電感的轉(zhuǎn)換器，用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換成較低的輸出電壓。它和前面討論的LDO 電路很類似，但有一個主要區(qū)別，為：LDO 中的功率晶體管起可變電阻的作用；但降壓轉(zhuǎn)換器中的MOSFET 處于導(dǎo)通（ON）或截止（OFF）狀態(tài)。通過控制MOSFET 導(dǎo)通（ON）和截止（OFF）時間來達到輸出電壓穩(wěn)壓。這可以使降壓穩(wěn)壓器高效地將高電壓輸入電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的而較低的輸出電壓。降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理基本的降壓穩(wěn)壓器原理如圖4 所示。典型的降壓穩(wěn)壓器包含開關(guān)MOSFET、電感、輸出電容和續(xù)流二極管。在開關(guān)周期，MOSFET Q1 在導(dǎo)通和截止狀態(tài)下轉(zhuǎn)換。假設(shè)降壓穩(wěn)壓器工作在穩(wěn)態(tài)，并且Q1 處于導(dǎo)通狀態(tài)，電感L1 上的電壓等于輸入電壓VIN 減去輸出電壓VOUT，能量被存儲在L1 中。在導(dǎo)通時間tON 結(jié)束時，Q1 變成截止狀態(tài)。此時，電感L1 電壓下降并極性反轉(zhuǎn)，電壓等于-VOUT。L1 中的能量減少并提供輸出。Q1 保持截止狀態(tài)直至周期結(jié)束。這個完整周期將不斷重復(fù)。
圖4： 降壓穩(wěn)壓器系統(tǒng)原理圖
理解降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理，以及電感在導(dǎo)通時間內(nèi)的伏- 秒值等于電感在截至時間內(nèi)的伏- 秒值，可以在輸入電壓和輸出電壓間建立起一個關(guān)系式。這個輸入和輸出電壓關(guān)系如公式2 所示。
公式2：
同步降壓轉(zhuǎn)換器
當降壓轉(zhuǎn)換器用于產(chǎn)生低輸出電壓時，圖4 中的續(xù)流二極管D1 可以用另外一個MOSFET 代替，并與主MOSFET反相開/關(guān)。通過這種方式，可以提高整個系統(tǒng)的效率。例如，使用降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生3.0V 輸出電壓，D1 具有0.75V的導(dǎo)通壓降VFD，由于二極管的導(dǎo)通壓降VFD，使降壓轉(zhuǎn)換器的最大效率降低了約25%。在更低輸出電壓時，會使效率變得更差。Microchip 提供許多同步降壓轉(zhuǎn)換器。如MCP1601 或MCP1612。這些器件集成了主開關(guān)MOSFET 和同步MOSFET。圖5 顯示了一個輸出電壓可調(diào)的同步降壓轉(zhuǎn)換器。虛線框中的元件包含在降壓轉(zhuǎn)換器IC 中。Microchip 的另外一個器件——TC1303，包含集成了MOSFET 的同步降壓轉(zhuǎn)換器和LDO。
圖5： 同步降壓轉(zhuǎn)換器
總結(jié)
本應(yīng)用筆記向系統(tǒng)設(shè)計工程師提供了一個不同方案的概述，將5.0V 系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓3.0V。在此討論了不同方案的主要特點，但對于某一特定的方案，討論其與其他方案相比的優(yōu)缺點是很重要的。系統(tǒng)設(shè)計工程師會因LDO 成本低、尺寸小、易于使用或系統(tǒng)噪聲很低而選擇它。然而，在一定的條件下，LDO 消耗的過多功率可能掩蓋了它的這些優(yōu)點。使用電荷泵的最大好處是它不需要使用電感。通過將電荷泵電容上的電荷傳遞到輸出而實現(xiàn)穩(wěn)壓。電荷泵的低輸出電流能力限制了它在重載應(yīng)用中的使用。當VIN 遠高于VOUT 時，降壓開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器效率最高，同時能提供很大的輸出電流。通過在降壓穩(wěn)壓IC中集成MOSFET和控制電路，降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計變得相對比較簡單。然而，需要電感和輸出電容，使降壓轉(zhuǎn)換器方案比其他方案相比，具有較多的元器件數(shù)。確定何種方案適合將現(xiàn)有5.0V 系統(tǒng)電壓轉(zhuǎn)換成3.0V 穩(wěn)壓輸出，最終還是取決于特定的應(yīng)用需求。
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