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來源：Digi-Key 作者：Tatsuya Kubo 如果你問任何一個系統(tǒng)架構(gòu)師：“你最大的問題是什么？”可能得到的答案是，為系統(tǒng)供電的器件占據(jù)了 30-50% 的電路板空間，更不用說需要增加的濾波和電磁干擾 (EMI) 抑制組件了。在從消費應用到數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡產(chǎn)品大多數(shù)電子系統(tǒng)中，電源仍然是縮減產(chǎn)品尺寸和高度的主要限制因素之一。 
圖 1.Murata 的兩級降壓架構(gòu)包括一個充電泵，后接一個降壓開關(guān)穩(wěn)壓器。（圖片來源：Murata） 傳統(tǒng)上，系統(tǒng)架構(gòu)師依靠降壓負載點 (POL) 轉(zhuǎn)換器從總線電源軌（如 12V）將電流降壓，為系統(tǒng)負載供電，如內(nèi)核和應用處理器、系統(tǒng) ASIC 和存儲器。幾十年來，降壓轉(zhuǎn)換一直為該行業(yè)提供良好的服務，并得到了改進和提高，形成了穩(wěn)健和具有成本效益的解決方案。但是，為了在功率密度方面取得真正的進步，系統(tǒng)架構(gòu)師需要考慮的不僅僅是迭代改進。為此，Murata 推出了一種兩級 POL 轉(zhuǎn)換器，它由一個充電泵和一個降壓開關(guān)穩(wěn)壓器組成，如圖 1 所示。 對于許多人來說，兩級架構(gòu)提供效率改進的想法似乎有悖常理，因為總效率是各個級效率的乘積。然而，由于創(chuàng)新的開關(guān)電容技術(shù)，充電泵幾無效率損失，導致第一轉(zhuǎn)換階段的效率非常高。 考慮到圖 1 所示的 12 Vin 到 1 Vout 的典型例子，充電泵使用電容器將輸入電壓降了 3 倍，從 12V 轉(zhuǎn)為 4V。現(xiàn)在第二級降壓電感器在最終轉(zhuǎn)換中要做的工作就很少了，只需從 4 V 轉(zhuǎn)換到 1 V。電容器的使用是一個關(guān)鍵點，因為與電感器相比，電容器的能量密度大約是其 400 倍。依靠電容存儲的解決方案本身將導致更高的功率密度�，F(xiàn)在，第二級降壓穩(wěn)壓器從 4 V 的低輸入電壓運行，而不是完全的 12 Vin。這允許降壓級使用低電壓、高效率的場效應晶體管 (FET)，并組合一個小的輸出電感器即可，從而打造出一個高效率的降壓穩(wěn)壓器，能夠在非常高的頻率下運行，具有快速的瞬態(tài)響應。 圖 2 將傳統(tǒng)的單級降壓與兩級降壓結(jié)構(gòu)進行了仔細比較。
圖 2.傳統(tǒng)的單級降壓轉(zhuǎn)換器與 Murata 兩級降壓轉(zhuǎn)換器的比較。（圖片來源：Murata） 考慮到圖 2 中更傳統(tǒng)的單級降壓方法，需要將 12 Vin 直接轉(zhuǎn)換到 1 Vout。Vx 節(jié)點（場效應管的中點）從地電位擺動到 Vin，加上儲存在漏電感和寄生電感中的能量尖峰。這種方法意味著需要電壓更高的 FET，并且由于快速的電壓變化和瞬時振蕩，EMI 可能成為一個問題。電感器做了所有的工作，并且是一個相對較高的值，這對效率和瞬態(tài)響應有負面影響。此外，在 12:1 V 方案下，高壓側(cè) FET 只有 1/12th 的時間在導通。這導致輸入端出現(xiàn)非常高的脈沖電流，需要額外的去耦電路以減少對傳導 EMI 的影響。這種較低占空比操作也限制了以較高開關(guān)頻率運行的能力。 我們將這種方法與圖 2 中的 Murata 兩級實施方案進行對比。充電泵將電壓以整數(shù)級遞減（在這個例子中，從 12V 到 8V 再到 4V），這樣每一級只看到 4 V，因此可以利用低電壓、高效率的 FET 技術(shù)。降壓穩(wěn)壓器將執(zhí)行最后一步 4:1 V 轉(zhuǎn)換。大部分工作已經(jīng)由第一級電容充電泵完成。這種結(jié)構(gòu)允許減小第二級電感器，這反過來又實現(xiàn)了緊湊、扁平的設計，可以在高頻率下運行，具有出色的瞬態(tài)響應。 第一級充電泵實現(xiàn)了 50% 占空比的雙相失相運行。第二級降壓以接近 25% 的占空比運行，從而減少了輸入電流和脈動電流。這兩個因素結(jié)合在一起，使轉(zhuǎn)換器的輸入紋波和 EMI 曲線降到最低。總之，Murata 的兩級架構(gòu)在效率、尺寸和外形以及 EMI 方面都有改進。 |
