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在電子領(lǐng)域，DC/DC 開(kāi)關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器的使用正與日俱增。便攜式應(yīng)用中的主要問(wèn)題是板級(jí)空間及熱管理，因此高效的低成本電源轉(zhuǎn)換對(duì)其而言極為關(guān)鍵。當(dāng)前，便攜式應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員在決定選擇是以線性低壓降穩(wěn)壓器 (LDO)、感應(yīng)開(kāi)關(guān)模式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，還是電容性充電泵 DC/DC 轉(zhuǎn)換器來(lái)滿足其電源轉(zhuǎn)換需求時(shí)，面臨著在總體成本、效率、集成度、設(shè)計(jì)靈活性以及封裝等諸多方面進(jìn)行權(quán)衡的問(wèn)題。 圖 1、電源轉(zhuǎn)換拓?fù)浔容^。 1 電源轉(zhuǎn)換的需求 當(dāng)前，許多便攜式應(yīng)用均采用單體鋰離子電池，其擁有所有可再充電電池所具備的最高能量密度化學(xué)特性，從而可實(shí)現(xiàn)最佳的小外型設(shè)計(jì)。電池電壓通常滿至空 (full to empty) 介于 4.2V 到 2.7V 之間（從），電池電壓在大部分放電周期中約為 3.7V。該技術(shù)應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，在非可再充電的單或雙體堿性電池系統(tǒng)中也倍受青睞。獨(dú)立的單電池電壓介于 1.5V 至 0.9V。許多應(yīng)用均要求多個(gè)電壓軌支持系統(tǒng)中的各種組件。常見(jiàn)電壓軌有：用于處理器內(nèi)核的 1.1V 電壓，存儲(chǔ)器的 2.5V 與 3.3V，擴(kuò)展接口（如 Compact Flash 或 USB 接口）的 5V，以及用于 LCD 偏壓或白色 LED 顯示背光電路系統(tǒng)的 28V。因各種因素需做出的權(quán)衡而異，我們?cè)诖丝梢蕴峁⿴滋纂娫崔D(zhuǎn)換選擇方案。圖 1 顯示了各種 DC/DC 轉(zhuǎn)換架構(gòu)的概覽。 2 現(xiàn)有解決方案 根據(jù)輸入輸出電壓比，LDO（低壓降）穩(wěn)壓器也適用于降壓應(yīng)用。總之，LDO 可根據(jù)出現(xiàn)的任何負(fù)載電阻更改而相應(yīng)調(diào)整其內(nèi)部電阻，使穩(wěn)壓器輸出恒定的電壓。簡(jiǎn)言之，轉(zhuǎn)換效率是由輸出電壓與輸入電壓之比決定的。LDO 以 3.7V 的電壓可以生成 3.3V 的存儲(chǔ)器軌，從而實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 89% 的卓越效率。不過(guò)同樣的電池軌生成 1.1V 的核心電壓時(shí)，效率便陡然降至 29%。目前，LDO 采用諸如芯片級(jí)等的超小型封裝，大小僅為幾平方毫米，能夠?qū)崿F(xiàn)操作只需陶瓷輸入和輸出電容器的解決方案。由于 LDO 的線性穩(wěn)壓解決方案，其幾乎不存在輸出紋波，因此非常適用于"噪音型"開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器輸出的后過(guò)濾，能夠支持音頻放大器或 RF 電路系統(tǒng)。LDO 隨著輸入輸出電壓差動(dòng)的提高與電流輸出的加大，也會(huì)產(chǎn)生適度的熱量。功率損耗約等于輸入輸出電壓差乘以通過(guò)線性調(diào)整元件的電流的乘積。 充電泵（也稱(chēng)開(kāi)關(guān)式電容電壓轉(zhuǎn)換器）即 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，其采用一種所謂"飛 (flying)"或"泵 (pump)"的電容器，而非感應(yīng)器或變壓器來(lái)用于能量存儲(chǔ)。其不僅可升高或降低輸入電壓，而且還可用于產(chǎn)生負(fù)電壓。內(nèi)部 FET 開(kāi)關(guān)陣列控制著"飛"電容器的充電與放電，根據(jù)其控制方式，輸入電壓乘以或除以 0.5、2 或 3 等因數(shù)，即可產(chǎn)生所需的輸出電壓。特定的調(diào)制方案僅要求陶瓷電容器就可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 80% 的效率。由于涉及到開(kāi)關(guān)，因而充電泵會(huì)產(chǎn)生某些輸出紋波，也會(huì)生成 EMI（電磁干擾）。某些充電泵拓?fù)淇刹渴痣p充電泵架構(gòu)，并采用額外的輸出電壓穩(wěn)壓器，以最大程度地減少 EMI 與紋波。充電泵的最大輸出電流限制在約 300mA 左右，基本由集成開(kāi)關(guān)晶體管與外部"飛"電容器的大小所決定。充電泵采用節(jié)約空間的 SOT-23 封裝或無(wú)引線四方扁平封裝 (QFN)，能極大節(jié)省板級(jí)空間，并要求較 LDO 具備更高效率但空間或預(yù)算又不足以實(shí)施更高效的感應(yīng)式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的情況下，提供解決方案。圖 2 展示了顯示背光應(yīng)用中為白色 LED 提供核心電源的充電泵應(yīng)用實(shí)例。 圖 2 在 SOT－23 封裝中為白色 LED 提供核心電源的充電泵。 利用電磁技術(shù)進(jìn)行能量存儲(chǔ)的感應(yīng)開(kāi)關(guān)模式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供了難以企及的電源轉(zhuǎn)換效率，不管是升高電壓還是降低電壓的情況下均如此。盡管它較線性解決方案或充電泵解決方案相比會(huì)要求更大的板級(jí)空間，但這種電源轉(zhuǎn)換方案非常適用于較高電流的應(yīng)用。高效率轉(zhuǎn)換能夠?qū)崿F(xiàn)最低散熱，并簡(jiǎn)化了熱管理，特別是與 LDO 解決方案相比時(shí)尤為如此，從而通常避免了采用額外的、笨重而價(jià)格不菲的散熱片的必要。由于能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá) 97% 的轉(zhuǎn)換效率，因此這也有利于延長(zhǎng)電池壽命。DC/DC 轉(zhuǎn)換器可作為 DC/DC 控制器，當(dāng)設(shè)計(jì)人員選擇具備特定導(dǎo)通電阻的外部 FET 開(kāi)關(guān)，并根據(jù)應(yīng)用當(dāng)前需求調(diào)節(jié)電流限制時(shí)，其可為設(shè)計(jì)人員提供最大的靈活性。同時(shí)，在要求數(shù)十安培電流的非便攜式設(shè)備中，它尤為有用。先進(jìn)封裝技術(shù)也允許開(kāi)關(guān)晶體管的集成，從而使開(kāi)關(guān)模式 DC/DC 解決方案的輸出電流介于 SOT-23 封裝或芯片級(jí)封裝的 100mA 與 TSSOP-28 封裝的 9A 之間的任何數(shù)值。 考慮到具備集成 FET 的感應(yīng)開(kāi)關(guān)模式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出電流功能與效率，我們常常可以實(shí)現(xiàn)顯著提高空間利用效率的解決方案，往往只需一個(gè)感應(yīng)器和必需的輸入輸出電容器即可。 圖 3 顯示了高效利用 DC/DC 轉(zhuǎn)換與線性調(diào)節(jié)的示例。升壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可提升堿性電池的輸入電壓，范圍為 1.5V 至 0.9V 之間，從而能支持 3.3V 的系統(tǒng)軌。集成到相同 IC 上的 LDO 可降壓，以支持 1.8V 的處理器核心電壓。上述兩種功能都集成在 4mm x 4mm 的無(wú)引線四方扁平封裝 (QFN) 中，從而能最大程度地減少板級(jí)空間要求。 圖 3、升壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器與由單體堿性電池供電的 LDO。 圖 4 給出了利用高能量效率并節(jié)省空間的 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換示例。降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可用于降低單體鋰離子電池的輸入電壓，輸入電壓范圍介于 2.7V 至 4.2V 之間，可支持 1.2V 處理器核心，效率高達(dá) 95%。該電路采用具備集成開(kāi)關(guān) FET 的同步 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器，僅采用三個(gè)外部組件，其空間占用僅比同類(lèi)競(jìng)爭(zhēng) LDO 電路大于 30% 左右，但卻能提供將近高出三倍的效率，并能顯著延長(zhǎng)電池壽命。 圖 4、單體鋰離子應(yīng)用中的壓降 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 |
