脈波頻率調變(PFM)控制IC於停止切換的間歇時間可達數毫秒(msec)之久，所以半導體切換元件的切換損失，比起定頻PWM的控制IC要小很多；若被動元件選擇正確，利用這類IC設計的電源轉換器會有較高的效率。

關於PDA電源線路之設計，筆者已在113期做過簡單介紹；而PDA的電源還有一部分也很重要，就是提供Panel的電源。Panel的材質，影響電源供給的方式；一般來說，大概分為TFT與STN兩種。對於這些Panel來說，不同的驅動電路也就產生不同的電源需求；雖然有各種不同的電源需求，其中具有正負電壓的電源是較常見到的設計，參考(圖一)所示，本文將對此具有正負電壓的電源設計做一介紹。

如(圖二)a之反馳式升降壓電路，雖然電路簡單，可是會用到變壓器。此變壓器的體積或高度有一定大小，對於PDA或小型電子產品不合適，所以採用b與c的電路較合適。今將兩電路之操作原理及設計範例說明如下：

圖一 : 正負電壓的電源設計

圖二 : 反馳式升降壓電路

圖三 : 切換元件M的切換頻率

操作原理

一.升壓型電源轉換器

當切換元件M導通時，輸入電源Vin對電感L充電，以電磁能方式將能亮儲存於電感中。此時因為二極體D1逆偏，所以開路，負載電流由輸出電容C提供，所以要降低輸出漣波，就要增加輸出電容值，或是提高切換元件M的切換頻率，參考(圖三)。

當切換元件M截止時，等效電路，二極體D1會因電感之楞次定律導通，電感L之電磁能會釋放至負載端，同時對電容C充電，其電壓電流波形可參考(圖四)。

二.負壓型轉換器

A.當切換元件M導通時，輸入電源Vin，對電感L充電，以電磁能方式將能量儲存於電感中；此時因為二極體D1逆偏所以開路，負載電流由輸出電容C提供，所以要降低輸出漣波，就要增加輸出電容值，或是提高切換元件M的切換頻率，參考(圖五)。

B.當切換元件M截止時，等效電路參考；二極體D1會因電感之楞次定律導通，電感L之電磁能會釋放至負載端，同時對電容C充電，其電壓電流波形可參考(圖六)。

圖四 : 電壓電流波形

圖五 : M的切換頻率

圖六 : 電壓電流波形

應用範例

今舉一實際例子，若PDA之Panel驅動電路之電源需求為+3.3v及±28v。其中3.3v可用上篇介紹的SEPIC電路設計，至於±28v將利用3.3v升至+28v及-28v，敘述如下：

3.3v轉28v：

STEP 1確定電氣規格

Input=2.8v~4.2v

Output=28v

Output Current=3mA~10mA

Output Voltage Ripple〈1.4v

STEP 2選定升壓型電源轉換器，切換頻率100kHz

STEP 3計算電感L

L〈LB=[Vo*Ts*Dmin*(1-Dmin)2]/(2*IoB)，for PFM Controller

Ts=1/fs=1/100k=10(μsec)

IoB=Iomin=3mA

Dmin=1-Vimax/Vo=1-4.2/28=.85

L〈LB=[28*10μ*.85*(1- .85)2]/(2*3m)=892uH

L LB/20=44.6u，for Character of PFM Controller

STEP 4切換元件規格

Diode D1 耐壓〉28v，耐電流〉2*Io=20mA

選取1N5819，40v/1A

Mosfet M 耐壓〉28v，耐(20mA*28/3.3)/0.8=0.21A

選取CET3055，60v/4A

STEP 5輸出電容選擇

C〉Io*D*Ts/ΔVo=10m*.85*10u/1.4=60 nF

ESRmax〈ΔVo/ΔID1=1.4/20m=70Ω

選取100uF/50v

3.3轉-28V

STEP 1確定電氣規格

Input=2.8v~4.2v

Output=-28v

Output Current=3mA~10mA

Output Voltage Ripple〈1.4v

STEP 2選定負壓型電源轉換器，切換頻率100kHz

STEP 3計算電感L

L〉LB=Vo*Ts*(1-Dmin)2/(2*IoB)

Vo/Vimax=Dmin/(1-Dmin)=28/4.2

IoB=Io=10mA

Dmin=0.86

L〉LB=28*10u*(1-0.86)2/(2*10m)274uH

L=〉330uH

STEP 4切換元件規格

Diode D1 耐壓〉28v+4.2v=32.2v，耐電流〉 Io=10mA

選取1N5819，40v/1A

Mosfet M 耐壓〉28v+4.2v=32.2v，耐電流〉(10mA*28/3.3)/0.8=0.11A

選取CET3055，60v/4A

STEP 5輸出電容選擇

C〉Io*D*Ts/ΔVo=10m*.86*10u/1.4=60nF

ESRmax〈ΔVo/ΔID1=1.4/20m=70Ω

選取100uF/50v

實驗結果

今將上述設計值經實驗後，結果如下所示(圖七)(圖八)：

圖七 :

圖八 :

結論

雖然在坊間有一些技術書籍，會介紹相關的動作原理及元件計算方式，可是實際的應用設計就很不容易找到，因此讀者可以經由此篇文章，略知PDA電源管理的設計方法。本文的實驗電路中，採用脈波頻率調變(PFM)控制IC。這種IC的脈波截止時間固定，脈波的導通時間可變，可以依輸入電壓或負載大小作適當調變，而得到穩定之輸出電壓。

這類控制IC與PWM另一不同之處是，其切換動作是間歇性的。若輸出電壓達到設定值，切換動作就停止；一直到輸出電壓低於設定值，再行切換動作。其停止切換的間歇時間可達數毫秒(msec)之久，所以半導體切換元件的切換損失，比起定頻PWM的控制IC要小很多，若被動元件選擇正確，利用這類IC設計的電源轉換器會有較高的效率。