某些應(yīng)用，例如雙極性放大器、光模塊、電荷耦合器件(CCD)偏置等，通常需要通過正 輸入電壓來提供負(fù)輸出電壓。 電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員需要多功能開關(guān)控制器和穩(wěn)壓器，以便解決這些 電源管理挑戰(zhàn)。ADI公司的超 低功耗、降壓 DC-DC穩(wěn)壓器ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303，提供超低 靜態(tài)電流、同步降壓功能。這些穩(wěn)壓器的輸入電源電壓范圍為2.15 V至6.50 V，可降壓至0.8 V，并提供500 mA的輸出電流。
    雖然ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303是針對(duì)同步降壓應(yīng)用而設(shè)計(jì)，但這些器件的多功能性使得它們能夠在不增加成本、外部元件數(shù)量和解決方案尺寸的情況下實(shí)現(xiàn)反相降壓/升壓 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)而通過正輸入電壓產(chǎn)生負(fù)輸出電壓。
    超低 功耗技術(shù)使得ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303能夠在輕負(fù)載工作條件下采用遲滯模式實(shí)現(xiàn)高效率。這些器件還可在脈寬調(diào)制(PWM)模式下工作，實(shí)現(xiàn)低噪聲性能和重負(fù)載操作。
    本應(yīng)用筆記介紹如何在同步反相降壓/升壓 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中實(shí)施ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303，以便從正輸入電源產(chǎn)生負(fù)輸出電壓。本應(yīng)用筆記還討論了降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一些限制和可能的解決方案。
    降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本原理
    顯示了簡化的降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它由一個(gè)電感、兩個(gè)彼此錯(cuò)相的電源開關(guān)、一個(gè)輸入電容和一個(gè)輸出電容組成。
  分別是S1接通時(shí)和S1斷開時(shí)的電流流向圖。接通時(shí)，開關(guān)S1導(dǎo)通，開關(guān)S2斷開，電流從輸入電容流出，給電感充電，輸出電容則向負(fù)載提供能量。斷開時(shí)，開關(guān)S1斷開，開關(guān)S2導(dǎo)通，電流從電感流向負(fù)載，同時(shí)給輸出電容充電。
    注意，電流從接地端流向VOUT，從而產(chǎn)生負(fù)輸出電壓。
    通過對(duì)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用電感伏秒平衡和電容電荷平衡原理，可寫出穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換比，如方程1所示。方程2指定了PWM模式下的直流電感電流值IL。方程3給出了電感紋波電流ΔIL。
    其中：
    VOUT為輸出電壓。
    VIN為輸入電壓。
    D為占空比：
    IOUT為輸出電流。
    L為電感值。
    fSW為開關(guān)頻率。
    利用ADP5300至ADP5303實(shí)現(xiàn)降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
    利用同步降壓穩(wěn)壓器ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303實(shí)現(xiàn)降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)反相電源應(yīng)用時(shí)，應(yīng)考慮所列的設(shè)計(jì)限制。
    降壓/升壓電路的輸入電壓必須高于ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303的UVLO電壓，穩(wěn)壓器工作的典型UVLO值為2.06 V。輸入電壓與輸出電壓之和必須小于穩(wěn)壓器的工作輸入電壓，其典型值為6.50 V。為使電路正常工作，確保電感峰值電流小于穩(wěn)壓器的限流觸發(fā)點(diǎn)。
    為了將同步降壓穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電感和輸出電容須按照在降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的方式連接。注意，接地點(diǎn)和輸出電壓點(diǎn)反相(參見圖4)。輸出電壓與降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，由外部VID電阻設(shè)置。
    電感選擇
    電感值取決于工作頻率、輸入電壓和電感紋波電流?？紤]到電感峰值電流，建議采用比降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所用電感更大的電感。然而，電感值不能過大，以免影響環(huán)路穩(wěn)定性。為避免過早產(chǎn)生電流限制，應(yīng)確保電感峰值電流不超過峰值限流閾值(PWM模式下為ILIM_PWM，遲滯模式下為ILIM_HYS)。
    電感峰值電流等于電感平均電流與峰峰值電感紋波電流的一半之和。
    考慮到電感峰值電流，對(duì)于PWM模式和遲滯模式下的常用輸入電壓，反相降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303的負(fù)載電流能力分別如圖5和圖6所示，假設(shè)電感值為4.7 μH，開關(guān)頻率為2 MHz。
    電感的飽和電流必須大于電感峰值電流。對(duì)于具有快速飽和特性的鐵氧體磁芯電感，電感飽和電流額定值必須大于開關(guān)的限流閾值，以防止電感在正常工作時(shí)發(fā)生飽和。
    輸出電容選擇
    注意，輸出電流在反相降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中是非連續(xù)的。在接通時(shí)，隨著電感中儲(chǔ)存的能量增加，輸出電容向負(fù)載提供能量。在斷開時(shí)，電感同時(shí)向負(fù)載和輸出電容提供能量。
    輸出電容值的一個(gè)主要問題是容許的輸出電壓紋波，它取決于輸出電容的兩個(gè)參數(shù)。一個(gè)是電容值，另一個(gè)是輸出電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)。以下方程提供了讓輸出電壓紋波保持在容許范圍內(nèi)所需的電容估算值(COUT)：
    其中：
    ΔVRIPPLE為容許的輸出紋波電壓。
    ESR為輸出電容的總等效串聯(lián)電阻。
    IPEAK為電感峰值電流。
    為了實(shí)現(xiàn)盡可能低的輸出紋波電壓，建議使用ESR值非常低的多層陶瓷電容(MLCC)。所選輸出電容的均方根電流額定值必須大于下式計(jì)算值：
    輸入電容選擇
    在反相降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，輸入電流也是非連續(xù)的。假設(shè)在電源接通時(shí)輸入電容能量損耗所引起的輸入電壓偏差小于輸入電壓的5%，則通過下式可計(jì)算滿足此要求所需的輸入電容(CIN)：
    其中：
    IAVG為電感平均電流。
    為輸入電容的等效串聯(lián)電阻。
    建議至少使用一個(gè)10 ?F陶瓷電容，而且其必須盡可能靠近PVIN引腳放置。所選輸入電容的電流均方根值必須大于下式計(jì)算值：
    雖然輸入電壓軌上的大多數(shù)電容都以系統(tǒng)接地為基準(zhǔn)，但在輸入電壓與ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303的PGND引腳之間再放置一個(gè)輸入去耦電容可以減小輸出電壓紋波，并改善瞬態(tài)響應(yīng)性能。
    使能信號(hào)電平轉(zhuǎn)換
    ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303有一個(gè)EN引腳，用于使能和禁用穩(wěn)壓器。然而，在反相降壓/升壓應(yīng)用中，IC以負(fù)輸出電壓(而不是系統(tǒng)接地)為基準(zhǔn)。如果試圖禁用穩(wěn)壓器而將EN引腳連接至系統(tǒng)接地點(diǎn)，結(jié)果有可能是ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303仍在工作。
    為此，可能的解決方案之一是使用超低功耗反相器、P型金屬氧化物 半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和電阻，并通過合理連接形成EN電平轉(zhuǎn)換電路。
    注意，使用電平轉(zhuǎn)換電路時(shí)，ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303的使能特性不復(fù)存在。如果不需要使能功能，只需將EN引腳連接到輸入電壓。
    啟動(dòng)前降低VOUT斜升
    利用同步降壓穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)反相降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，一個(gè)常見問題是輸出電壓可能斜升，并在穩(wěn)壓器開始工作前變?yōu)檎妷骸?br>    造成這種正輸出電壓斜升的原因是穩(wěn)壓器的關(guān)斷電流，此電流從IC的PGND引腳經(jīng)過低端MOSFET的體二極管，再回到系統(tǒng)接地點(diǎn)，所示。低端MOSFET的體二極管將VOUT箝位在體二極管的正向電壓水平，其典型值通常在180 mV左右，因?yàn)锳DP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303關(guān)斷電流非常小。
    VOUT連接至穩(wěn)壓器的PGND引腳，該引腳實(shí)際上是UVLO等內(nèi)部電路的基準(zhǔn)點(diǎn)，因此PGND引腳上的正電壓會(huì)降低UVLO閾值電壓。輸入電壓非常接近穩(wěn)壓器的UVLO閾值電壓(典型值為2.06 V)時(shí)，穩(wěn)壓器可能無法啟動(dòng)。
    當(dāng)用于實(shí)施本應(yīng)用筆記所述的反相降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，幾乎所有同步降壓穩(wěn)壓器都會(huì)出現(xiàn)此問題，很難徹底消除。
    結(jié)論
    在反相降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中實(shí)施ADP5300/ADP5301/ADP5302/ADP5303的方案可以像降壓方案一樣簡單、經(jīng)濟(jì)、小巧。當(dāng)需要使能/禁用功能時(shí)，本應(yīng)用筆記提供了一個(gè)簡單的EN電平轉(zhuǎn)換電路。本應(yīng)用筆記還探討了在反相降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中應(yīng)用同步降壓穩(wěn)壓器時(shí)出現(xiàn)的VOUT斜升至正電壓的問題。
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員遵循本應(yīng)用筆記中的設(shè)計(jì)方程和建議，就能確保設(shè)計(jì)出穩(wěn)健且滿足所有要求的方案。