SOT23封装的降压稳压器和升压稳压器

美国国家半导体欧洲公司电源管理应用工程师

很多低成本应用都利用线性稳压器把一种电压转换到另一种电压。以微型 SOT23 封装的新型开关稳压器提供了一个完整的紧凑解决方案，它的效率高得多。新型稳压器能达到很高的开关频率，因此外部元件很小，成本也非常低。

美国国家半导体公司最近推出了一系列小尺寸 SOT23 封装的开关稳压器，并将在未来推出更多集成了功率晶体管的型号。

本文将介绍一些新型号，探讨各自的优点，并将在几个应用实例中说明工程师如何能利用它们来做设计。

升压解决方案

升压拓扑结构的稳压器需要开关一个低端晶体管。这意味着开关元件的位置在开关管脚和接地管脚之间。借助这种组合，不仅能实现升压拓扑结构，而且还能实现单端初级电感转换器 (SEPIC)拓扑结构、回扫拓扑结构和负降压拓扑结构。升压稳压器能提供比输入电压高的输出电压。SEPIC 拓扑结构提供了利用更小或更大的输入电压来稳定某个电压的可能性。这种额外的功能的折衷是效率比经典的升压拓扑结构稍低，材料也要额外增加一个感应器和一个电容器。

回扫拓扑结构提供了与 SEPIC 相同的降压和升压能力，但是它需要的不是两个感应器，而是一个变压器。

所有这些拓扑结构是否能设置在一个特定的低端转接开关中，是否能稳定工作，这在很大程度上取决于电压和电流规格，以及内部或外部补偿电路。

美国国家半导体公司提供两个版本的 LM2733。一个版本于 1500kHz 的开关频率工作，另一个使用 500kHz 振荡器速度。如果需要，还可以提供尺寸极小的感应器。

典型应用

LM2733 的一个典型用途是为多达 10 个白光 LED 供电，应用于屏幕背光照明。图 1 描绘了这种应用。当很多 LED 需要相同亮度时，可以串联所有 LED。这样就保证了每个 LED 传导了相同电流，它一般意味着每个 LED 的亮度相同。当所有 LED 串联时，它们的正向电压会叠加起来。根据部署的 LED 数量，这需要比较高的电压。由于多数系统中不供应这样高的电压，因此常用的 5V 或 3.3V 需要被提升到需要的电压，才能驱动这一串 LED。美国国家半导体公司的 LM2733 能提供高达 40V 的输出电压。当使用白光 LED 时，可以串联至少 9 个 LED。流过 LED 的电流大小是由电阻器 R1 设置的。



降压解决方案

升压拓扑结构的稳压器需要开关一个高端晶体管。这意味着晶体管的位置在输入电压和开关管脚之间。高端稳压器与以前讨论过的主要用于降压拓扑结构的低端稳压器截然不同。其它拓扑结构包括降压-升压拓扑结构，也称为反相拓扑结构。这种拓扑结构只需要与降压拓扑结构相等数量的外部元件，但可以把正电压转换称负电压。虽然电子产品设计中有时需要负电压，但这种电压不那么常用。

另一种可实现的拓扑结构就是负升压拓扑结构。它可以把负电压转换成更高的负电压。图 2 显示了这种电路的原理图。分析这种电路可能让人非常混肴。下面的提示可以帮助理解这些不常用的拓扑结构。首先，不论接地引脚绝对是处于负电压还是正电压，我们都知道反馈管脚将一直确保其额定值高于接地管脚。多数情况下，反馈引脚的参考地电压是 1.2V。要注意的第二个事实是，Vin 管脚在参考 -Vin节点和稳压器的接地管脚时，实际上处于正电压，上述接地管脚是（负）输出电压。



工艺技术

当把 SOT23 等非常小的封装用于较高功率时，第一个大问题是实际裸片尺寸，第二个大问题是封装的热耗散。SOT23-6 并不是一种非常低温阻的封装。SOT23-6 封装从接头到周围环境的典型热阻是 265 开尔文/瓦。如果这种器件工作于室温，那么它能达到的最大功耗大约是 380mW。请记住，多数应用需要工作在远高于室温的温度下，能达到的最大功耗低得多。80 摄氏度的环境温度使允许的最大功耗降至大约 170mW。

在使用这类封装时，这些温度方面的考虑事项只有一个解决办法：需要降低功耗！美国国家半导体公司的新型 PVIP（功率 VIP）工艺是一种专门针对电源管理的工艺。它提供了极度精简的集成电路，它们的电阻非常低。这使芯片设计人员能提高电流和电压，或缩小裸片尺寸而保持性能相同。


典型应用

在本文中，我们讨论了使用反相拓扑结构的降压稳压器来产生负输出电压。这种拓扑结构的一个独特之处是输入电压的绝对值可能低于或高于输出电压的绝对值。因此，对于需要降压和升压、并且负载的极性可被改变的每一种应用，都可以使用反相拓扑结构，而不是 SEPIC 拓扑结构。人们通常更喜欢这么做，这是因为可以节省额外的 SEPIC 感应器占用的空间和成本。

这种反相拓扑结构的一个典型应用也是依靠宽范围的输入电压来驱动 LED。图 3 显示了这样的一个设计实例。可以看出，稳压器是参考了输出电压而不是接地电压。例子中的负载是由两个白光 LED 构造的。串联时，它们的合计正向电压大约是 8V。根据温度和生产中正规分布的不同，这两个 LED 的合计正向电压可能在 7V 和 8V 之间。根据图 3 显示的电路，当使用了输入电压范围是 3V-24V 的高端稳压器时，输入电压的变化可以从 3V到24V。



尺寸比较

图 4 显示了美国国家半导体公司的一种典型 SOT23-6 降压评估板的图片。板的尺寸仅为 2.1x1.9 厘米。为了便于比较，我们假定一个典型降压要求：12V 输入电压，5V 输出电压，电流为 500mA。这种开关电路的典型效率是 80%。使用一个 LDO 来做相同任务，则需要一个大封装，比如 to263 或 to220 封装，这是由功耗决定的。在我们这个例子中，功耗是 (12V-5V)*0.5A = 3.5W。这意味着小轮廓封装不能用于这种设计任务。具有必要输入电容和输出电容的一个 to263 封装的 LDO 占用的电路板空间大约是 2x1.7 厘米。



结论

本文介绍了多种拓扑结构的降压稳压器和升压稳压器的可能使用情况，把它们与线性稳压器的能力做了比较说明。目前正在提供或未来将提供的新型 SOT23 开关稳压器系列，为「如何供应正确电压给某种特定应用」这个老问题，提供了令人兴奋的新解决方案。