3 降压转换器架构

架构 A：降压转换器 + LDO

图 3-1 架构 A 方框图

要讨论的第一种架构是一种常见的解决方案，其中在降压转换器之后采用 LDO 来降低输出电压纹波，进而达到所需的输出电压精度。

使用这种拓扑的好处在于，与单独的降压转换器相比，该解决方案可凭借 LDO 的电源抑制比 (PSRR) 实现低噪声敏感电源轨。当多个 LDO 依靠单个降压转换器进行级联来形成多个电源轨时，还带来一个额外的好处：只有一个而不是多个开关转换器为电源轨供电，因此抑制幅度和输出电压纹波的频率几乎相同。使用多个开关转换器时，输出电压频率和幅度之间没有相关性，而 LDO 的 PSRR 在特定开关频率下保持恒定，并且不会增加任何开关元件。

使用这种拓扑进行设计时，LDO 的噪声滤波能力值得注意。对于噪声敏感型电源轨，可选择高 PSRR 的 LDO。但是，此 PSRR 会随开关频率和输出电流而变化。图 3-2 举例说明了 TPS7A05（架构 A 中使用的 LDO）在这方面的特性。通常情况下，LDO 在较低的开关频率下（例如，当转换器在 PFM 模式下运行时）具有较好的噪声衰减，而在较高的开关频率下（例如，当转换器在标称开关频率下运行时）噪声衰减性能较差。这意味着，可通过增加输出电容值来改善高频下的 PSRR。

图 3-2 TPS7A05 在 200mA 负载电流和 0.8V 输出电压下的 PSRR 曲线

需要注意的另一点是 LDO 的效率，可按照Equation2 进行计算。较高的压降会降低系统效率，从而导致电源树在所有负载水平下都从电池汲取更多电流，最终将缩短电池寿命。如Equation3 和Equation4 所示，较高的压降还会导致 LDO IC 内部温度升高，因此在需要满足室外工作温度要求的设计中尤其要注意这一点。

另一款可考虑用于该架构的 LDO 是 TPS7A02，即使处于压降状态，该器件也具有 25nA 的超低标称 I_Q。TPS7A02 还经过了优化，具有出色的瞬态性能，并包含一个具有内部控制下拉电阻器的智能使能电路，有助于最大限度减少用于下拉使能引脚的外部元件数量。

架构 B：FPWM 降压转换器

图 3-3 架构 B 方框图

第二种架构是适用于噪声相关应用的简单解决方案。一个高效的开关转换器在轻载条件下被强制保持在 PWM 模式下，而不是进入节能的 PFM 模式。在 PFM 模式下，仅当输出电压降至标称输出电压以下时，转换器才会在短时脉冲下工作。这种模式仅在超过最小输出电压阈值时才进行导通和开关操作，因此降低了开关损耗，节省了功率。

对于以 PFM 和 PWM 两种模式工作的降压转换器，在动态负载条件下，随着降压转换器将工作模式从 PFM 更改为 PWM 或反向更改，可看到纹波电压和频率发生变化。在 FPWM 器件中看不到此行为，因为无论施加的负载如何，都会使该器件强制保持在 PWM 模式下。所以，FPWM 降压转换器的优势在于开关频率不会改变，从而为固定输出电容器提供了相当恒定的纹波，并改善了负载变化时的瞬态响应。此外，由于没有 LDO，满载时的系统效率比先前的级联架构要高得多。

这种架构的缺点是 I_Q 较高且轻载效率较低。这两个缺点都是 FPWM 模式直接造成的。无论负载条件如何，器件始终处于 PWM 模式下，因此即使空载，器件仍会高频开关并汲取更大的电流，这将导致高 I_Q。出于同样的原因，降压转换器在轻载时汲取的电流远高于输出电流，因此轻载效率极低。

架构 C：降压转换器 + π 型滤波器

图 3-4 架构 C 方框图

要讨论的第三种也是最后一种架构是一款高性能解决方案，其中对噪声敏感的电源轨由高效的开关转换器供电来生成所需的电压。如图 3-4 所示，其后是一个铁氧体磁珠 π 型滤波器，用于衰减开关噪声。在此配置中，降压转换器可在节能的 PFM 模式下工作，如前所述，这样便可在轻载条件下实现更高的效率。

实施此架构可在满载条件下产生超低且更为一致的输出电压纹波，因此该架构非常适合具有严格电源噪声要求的外设。这些外设在上电和处理数据时具有更严格的电源调节要求，而轻载通常对应于待机或关断模式下的外设，所以满载噪声水平比轻载噪声水平更值得关注。

除了低噪声外，该架构在所有负载水平下均可提供高效率。与架构 B 相似，该拓扑只有一个降压转换器而没有 LDO，因此系统效率比使用一个或多个 LDO 的电源架构高很多。与架构 B 不同，带有 π 型滤波器的降压转换器可从外部满足噪声要求，因此允许转换器在 PFM 模式下运行，并提高轻载条件下的效率。

在使用此架构进行设计的过程中需要考虑一些因素。为了设计 π 型滤波器，有必要针对外设的工作负载条件计算降压转换器输出电压纹波的频率和幅度，并且在选择铁氧体磁珠及其周围的无源器件时需要进行进一步的计算。π 型滤波器的实现并不像 LDO 那样简单，此过程需要在降压转换器的标称开关频率下选择足够大的 PSRR。此外，π 型滤波器实现抑制的带宽更为有限，并且稳定时间会有细微变化（稳定时间是滤波器值的函数）。

此设计采用铁氧体磁珠，并为 π 型滤波器选择以下值：

• C_IN = 0.1µF
• C_OUT = 10µF
• R_DAMP = 0.33Ω
• C_DAMP = 47µF

π 型滤波器的设计使用 TIDA-01579 中的公式和条件完成。图 3-5 展示了铁氧体磁珠的滤波器电路和等效电路。

图 3-5 π 型滤波器电路图