DC-DC转换器原理及应用

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当您电池的最后一焦耳电能被耗尽时，功耗和效率就将真正呈现出新含义。以一款典型的手机为例，即使没有用手机打电话，LCD屏幕亮起、显示时间及正在使用的网络运营商等任务也会消耗电力。如果它是一款更高级的手机，还可以播放您喜爱的MP3音乐或浏览视频数据。不过，每为手机增加一种功能，实际上也增加了电池的负担。对于大多数手机设计者来说，能否延长可用电力的使用时间是您的手机在下次充电前能够持续多久的关键。这意味着电力需要在各种功能模块间小心谨慎地保护和预算，以最大限度地延长电池寿命和使用。
　　要实现真正的效率，并不仅仅意味着DC-DC转换器在负载指定的某个操作点可以获得多高的效率，而是在DC-DC转换器整个载荷范围内这种高效率能够维持多久。一般来说，大部分DC-DC转换器都指定可以达到的最大效率数字，而且人们也通过选择一个非常大的数字（如95%），毫不犹豫地选择一个合适的转换器。然而，要真正地充分利用这个效率，还需要把转换器的曲柄转到可以实现最大功率转换的操作点上。如果未转到这个点，就不能达到95%的效率。而且因为这个问题，根据所应用的载荷，有时甚至达不到60%的效率。
　　图1显示在A点可达到95%的效率，在B点却只能达到60%甚至更低的效率。对于便携式消费产品，操作点或负载标尺上的这种差异将非常重要，因为大部分这些电子器件都有多种功能（如播放音乐、拍照或拨打电话），每种功能都要求一个不同的操作点或不同的DC-DC调节器有效负载。对于那些用户未调用的功能，DC-DC源的功率负载会非常轻，95%的效率将会锐减为50%甚至更低，因为是在图1中的B点。

图1 典型效率曲线
　　以智能手机为例，在智能手机中，为AP（应用处理器）IO或核心电压供电的DC-DC转换器将在多长时间内把电池内的电力耗尽，这点非常重要。假设您的手机电池在正常使用时（即主要是拨打语音电话）可持续供电最多2～3天。在这段时间（48～72小时），通常只有一小部分电力用于娱乐活动，如照片的拍摄和浏览或者MP3音乐的播放。它意味着在剩余时间，手机不需要AP完成太多任务；可能只是在AP处于待机或休眠模式中用来刷新DDR存储器。因此，如果AP经常处于这些模式中，它带给转换器的负载将在标尺的轻负载一端，即B点。这表示，AP调节器的功率将永远以50%甚至更低的功效运行，使它成为电池的一个最大消耗源。可见，仅选择一个具有高效率规范的DC-DC调节器是不够的。还需要确保调节器在整个负载范围内都能提供高效率，尤其在轻负载和满负载时。
　　针对这一问题，需要创新的解决方案。以飞思卡尔推出的一种全新的DC-DC降压转换器为例，它可在轻负载时提供高效率。MC34726/7系列是同步降压转换器，可以提供高达300mA或600mA的电流，同时实现90%的高效率。转换器的效率如图2所示，它可以在整个负载范围维持高效率，在接近最高负载时达到顶峰。对于轻负载（B点），效率也能维持在80%以上。该器件利用专用的可调节Z因子模式（Z-Mode）切换架构，实现了PWM和PFM间平稳的转换，而不会牺牲瞬态响应、偏压电流或效率。因此，Z-Mode架构极大地提高了负载电流转换期间的性能，在提供更好的瞬态响应的同时，仍在“休眠”Z-Mode中维持轻负载65μA的低偏压电流。

图2 提高轻载荷时的效率
　　该器件接受2.7～5.5V的输入电压范围，并能够在300mA/600mA的持续负载电流中提供0.8～3.3V的输出电压。此外，其2MHz或4MHz的高交换频率也使得它非常适合空间受限的便携式器件，如手机、PDA、DSC、PND、GPS、PMP和其他便携式仪器。图3显示的是该器件的一个典型应用。

图3 典型应用图