電源管理集成電路

引言
隨著業(yè)界對最終產(chǎn)品系統(tǒng)的小型化和更加纖巧體積的持續(xù)進展，以及為系統(tǒng)集成電路中融入越來越多的功能所做的努力，人們迫切需要可使用更少外部元件和以更快的響應時間處理負載波動的電源集成電路。為了滿足電源集成電路的這種需求，現(xiàn)在瑞薩科技公司已開發(fā)出一種新型DC-DC轉(zhuǎn)換器技術。
本文將介紹瑞薩科技的這種新技術和快速響應技術。同時介紹各種電源集成電路的演變。

用于數(shù)碼相機的寬頻帶DC-DC轉(zhuǎn)換器技術
為了滿足數(shù)碼相機進一步小型化和更加纖巧體積的需要，瑞薩科技開發(fā)出了一種可以使相位補償電阻器和電容器集成在集成電路內(nèi)的新技術，這是通過加大DC-DC轉(zhuǎn)換器集成電路的帶寬實現(xiàn)的。
圖1顯示了一個傳統(tǒng)的DC-DC轉(zhuǎn)換器的方框圖（a）及其波德圖（b）。

圖1  傳統(tǒng)的DC-DC轉(zhuǎn)換器方框圖和波德圖
電感器（L）和電容器（C）是二級延遲元件，它們在高頻條件下可將相位延遲180度。
放大器和反饋電路也是延遲元件，而在高頻條件下為整個系統(tǒng)引入270度或更大的相位延遲。這樣就難以獲取足夠的相位裕度并使DC-DC轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定的工作。
在傳統(tǒng)設計中，放大器頻率特性可因帶寬的減少而下降。fT與fp1更加接近，以保證足夠的相位邊緣和穩(wěn)定性（這種技術被稱為相位補償）。
雖然相位補償可以穩(wěn)定DC-DC轉(zhuǎn)換器的運行，但是由于頻帶變窄了，響應特性就會隨之下降。
還有一些問題，例如構(gòu)成相位補償電路需要比較多的電阻器和電容器。
因此，在目前的數(shù)碼相機電源設計中，相位補償電路的穩(wěn)定可以盡可能地使頻率特性加寬，以避免上述問題的出現(xiàn)。
然而，由于相位邊緣的減小，以及取決于應用條件的不當操作等問題的發(fā)生，將會減小振蕩邊緣。這是系統(tǒng)電源設計困難的原因之一。
如果將電阻器和電容器強行集成在集成電路中，而沒有進行仔細的斟酌，元件值的變化將很可能導致fT的波動，這將會影響電源的穩(wěn)定性。因此，將這些元件集成在集成電路上是很困難的。
在瑞薩科技開發(fā)的新技術中增加了反饋電路2，而去掉了用于傳統(tǒng)設計的反饋電路1（見圖2）。

圖2  寬頻帶反饋放大器方框圖
反饋電路2有一個高通濾波器結(jié)構(gòu)，利用它可以增加頻率的反饋量。
因為事先穿過電感器和電容器的信號被反饋回來，這個信號不會受到電感器和電容器相位延遲的影響。因此，即使增加頻率特性也可以保證足夠的相位裕度，因此有可能在一個寬頻帶條件下實現(xiàn)電源的穩(wěn)定性。
圖3顯示了采用新技術的DC-DC轉(zhuǎn)換器的頻率特性。

圖3  采用新技術的DC-DC轉(zhuǎn)換器的TBC頻率特性
當fT約為180kHz時，相位裕度約為28度。
這樣，我們就能夠證實，與傳統(tǒng)技術相比，這種新技術在帶寬方面提高了五倍，而且可以保證足夠的相位裕度效果。
這個結(jié)果表明，采用這種新技術可以將相位補償電阻器和電容器集成在集成電路上，可比傳統(tǒng)技術減少60%的外部元件數(shù)目，節(jié)省大約40%的安裝面積。
進而，增加頻寬可改善負載波動的輸出電壓響應特性，并有可能以比傳統(tǒng)技術更小的電壓波動實現(xiàn)電源系統(tǒng)。
圖4顯示了采用新技術的DC-DC轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應特性。當負載電流從50mA到550mA變化時，這一新技術可將輸出電壓波動頻帶保持在44mV的低值上。

 
圖4  采用新技術的DC-DC轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應特性
現(xiàn)在，瑞薩科技正在開發(fā)和使用這種新技術，R2A20010LG 8通道DC-DC轉(zhuǎn)換器就是可用于數(shù)碼相機的產(chǎn)品。

用于便攜式設備的DC-DC轉(zhuǎn)換器
瑞薩科技目前正在努力開發(fā)用于數(shù)碼相機的多通道DC-DC轉(zhuǎn)換器，以及用于便攜式設備DC-DC轉(zhuǎn)換器驅(qū)動系統(tǒng)集成電路的超小型負載點（POL）產(chǎn)品。
瑞薩科技已經(jīng)發(fā)布集成了2個MOSFET的2通道DC-DC轉(zhuǎn)換器，即可提供升壓驅(qū)動功能的型號M62205FP，以及集成了5個MOSFET、可使用單節(jié)電池的7通道同步整流型DC-DC轉(zhuǎn)換器M62299FP。
圖5  顯示了M62299FP的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖5  M62299FP的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
M62299FP可提供3個升壓通道、3個降壓通道和一個反向通道。它可提供以下一些主要功能：5通道內(nèi)置MOSFET；利用單反向通道支持變壓器更少的設計；一個高效的同步整流通道；低電壓工作（最低1.5V）支持單個鋰離子電池或兩個鎳氫電池運行；四個獨立的序列控制。
系統(tǒng)的小型化和厚度的減少正在數(shù)碼相機中出現(xiàn)，而目前外部元件和更高效率的整合迫切需要DC-DC轉(zhuǎn)換器集成電路。
為了滿足這些需求，目前正在開發(fā)的8通道R2A20010LG包括3個采用了新技術的快速響應通道，可以為DSP、存儲器、系統(tǒng)集成電路和其他有巨大和迅速的負載波動的器件提供穩(wěn)定的電壓。R2A20010LG應用實例示于圖6。
圖6  R2A20010LG應用實例
R2A20101是驅(qū)動DSP的最理想選擇，適用于需要高精度電壓控制的各種類型的存儲器進行更低電壓的運行，也適用于為今天采用精細工藝制造的集成電路提供電源。

PFC控制集成電路
現(xiàn)在，瑞薩科技正在開發(fā)可滿足全球諧波規(guī)范（包括國際規(guī)范、中國的強制性認證、EN61000-3-2和JIS C61000-3-2）的控制PFC集成電路。
圖7顯示了使用瑞薩科技的集成電路在功率因數(shù)方面得到的改進。
它顯示了三分之一及更高級的諧波電流，這些規(guī)范的目標是使其降低到規(guī)定值以下。

圖7  采用PFC抑制諧波電流
瑞薩科技提供的是一個完整的產(chǎn)品系列，它是從PFC+PWM結(jié)合的集成電路HA16141和HA16158的開發(fā)開始的，還包括集成了外設電路的HA16174高性能PFC集成電路，以及源于HA16174的簡單功能PFC集成電路HA16178和其他產(chǎn)品。
瑞薩科技利用我們的快速響應能力和高效技術，正在不斷開發(fā)最佳器件，以滿足各種相關應用的功能和特性的需要。