如何為便攜式多媒體處理器供電

引言

在現代應用中，傳統的低壓降穩壓器(LDO)正逐漸被開關電源(SMPS)所取代。雖然LDO是一個成本低廉而且強固耐用的電源解決方案，但是它耗電很大。越來越多的便攜設備廠商，像數碼相機、手機、PDA制造商，都在研究用效率更高的解決方案取代LDO的可行性。開關解決方案的大小，即電源的物理尺寸，通常是這些廠商無法逾越的障礙。
STw4141是一個創新的開關電源，只使用一個外接線圈就能產生兩個獨立的輸出電壓。因為其內在的開關特性，這個芯片的效率很高，而且所需的外部組件數量極少。該產品的效率可以與兩個獨立的開關電源媲美，尺寸相當于兩個獨立的LDO電源。因此，能夠取代便攜設備中的線性電源，或者縮減開關穩壓器的物理尺寸和成本。

工作原理
先簡要地了解一下傳統的降壓直流-直流轉換器，STw4141創新的雙輸出拓撲就是源自這種設計。圖1是一個簡單的降壓轉換器的電路示意圖，圖2是其線圈電流的波形。降壓轉換器拓撲組件包括PMOS和NMOS組成的功率級、線圈L、輸出電容C和反饋控制回路。PMOS和NMOS以1/T的頻率反相開關，占空比為D1.。當PMOS晶體管導通時，線圈電流開始上升，斜率為：
(1) 當NMOS晶體管導通時，線圈電流開始下降，斜率為：


圖1 降壓拓撲

(2) 在穩態過程中，下列條件必須有效：
(3)
(4) 公式3是指每個時鐘周期開始時的線圈電流IL必須等于每個時鐘周期結束時的線圈電流IL(否則系統不是穩態)。從這個條件，我們可以得出降壓轉換器的占空比公式。
(5) 公式4指線圈產生的總電量必須等于負載消耗的總電量，假設所有的開關和RDSon損耗忽略不計。


圖 2 線圈電流波形

對于雙輸出拓撲，在STw4141穩壓器中，線圈產生的電流分配給兩個輸出端，從這兩個輸出端口獲得的負載電流可以(實際上總是)完全不相關。因此，公式4的穩態條件必須改寫成：
(6) 其中，Iload1 是負載從輸出1汲取的電流，Iload2 是負載從輸出2汲取的電流。


圖 3 STw4141拓撲

為了按照公式6分配電量，系統就需要增加兩個開關MOS1和MOS2，如圖3所示。當MOS1導通時，線圈內貯存的電量就會傳送到輸出1；當MOS2導通時，線圈內貯存的電量就會傳送到輸出2。MOS1和MOS2以類似于PMOS和NMOS的1/T頻率反相開關，而占空比D2.不同于PMOS和NMOS的D1?？梢哉f占空比D1是測量系統能夠傳輸的總電能的標準，而占空比D2則是測量兩個輸出之間分配的總電能的標準。值得注意的最重要因素是，該系統只需一個線圈。
圖4是雙輸出拓撲線圈電流的波形。與傳統的降壓轉換器不同，雙輸出拓撲有三個主要相位：(Vbat-Vout2)/L上升斜率；-Vout2/L下降斜率；-Vout1/L下降斜率。在本例中，D2>D1，但是，當D2

圖4 線圈電流波形