便攜產(chǎn)品電源芯片的設(shè)計(jì)技巧

標(biāo)簽：LDO PCB

隨著便攜產(chǎn)品日趨小巧輕薄，對(duì)電源管理芯片也提出更高的要求，諸如高集成度、高可靠性、低噪聲、抗干擾、低功耗等。本文探討了在便攜產(chǎn)品電源設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用中需要注意的各方面問題。

便攜產(chǎn)品的電源設(shè)計(jì)需要系統(tǒng)級(jí)思維，在開發(fā)手機(jī)、MP3、PDA、PMP、DSC等由電池供電的低功耗產(chǎn)品時(shí)，如果電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)、產(chǎn)品的特性組合、元件的選擇、軟件的設(shè)計(jì)以及功率分配架構(gòu)等。同樣，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，也要從節(jié)省電池能量的角度出發(fā)多加考慮。例如，現(xiàn)在便攜產(chǎn)品的處理器一般都設(shè)有幾種不同的工作狀態(tài)，通過一系列不同的節(jié)能模式(空閑、睡眠、深度睡眠等)可減少對(duì)電池容量的消耗。當(dāng)用戶的系統(tǒng)不需要最大處理能力時(shí)，處理器就會(huì)進(jìn)入電源消耗較少的低功耗模式。

從便攜式產(chǎn)品電源管理的發(fā)展趨勢(shì)來看，需要考慮以下幾個(gè)問題：1. 電源設(shè)計(jì)必須要從成本、性能和產(chǎn)品上市時(shí)間等整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)來考慮;2. 便攜產(chǎn)品日趨小巧輕薄化，必需考慮電源系統(tǒng)體積小、重量輕的問題;3. 選用電源管理芯片力求高集成度、高可靠性、低噪聲、抗干擾、低功耗，突破散熱瓶頸，延長(zhǎng)電池壽命;4. 選用具有新技術(shù)的新型電源芯片進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，這是保證產(chǎn)品先進(jìn)性的基本條件，也是便攜產(chǎn)品電源管理的永恒追求。

便攜產(chǎn)品常用電源管理芯片包括：低壓差穩(wěn)壓器(LDO)、非常低壓差穩(wěn)壓器(VLDO)、基于電感器儲(chǔ)能的DC/DC轉(zhuǎn)換器(降壓電路Buck、升壓電路Boost、降壓-升壓變換器Buck-Boost)、基于電容器儲(chǔ)能的電荷泵、電池充電管理芯片、鋰電池保護(hù)IC。

選用電源管理芯片時(shí)應(yīng)注意：選用生產(chǎn)工藝成熟、品質(zhì)優(yōu)秀的生產(chǎn)廠家產(chǎn)品;選用工作頻率高的芯片，以降低周邊電路的應(yīng)用成本;選用封裝小的芯片，以滿足便攜產(chǎn)品對(duì)體積的要求;選用技術(shù)支持好的生產(chǎn)廠家，方便解決應(yīng)用設(shè)計(jì)中的問題;選用產(chǎn)品資料齊全、樣品和DEMO易于申請(qǐng)、能大量供貨的芯片;選用性價(jià)比好的芯片。

LDO線性低壓差穩(wěn)壓器是最簡(jiǎn)單的線性穩(wěn)壓器，由于其本身存在DC無開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換，所以它只能把輸入電壓降為更低的電壓。它最大的缺點(diǎn)是在熱量管理方面，因?yàn)槠滢D(zhuǎn)換效率近似等于輸出電壓除以輸入電壓的值。

LDO電流主通道在其內(nèi)部是由一個(gè)MOSFET加一個(gè)過流檢測(cè)電阻組成，肖特基二極管作反相保護(hù)，輸出端的分壓電阻取出返饋電去控制MOSFET的流通電流大小，EN使能端可從外部去控制它的工作狀態(tài)，內(nèi)部還設(shè)置過流保護(hù)、過溫保護(hù)、信號(hào)放大、Power-OK、基準(zhǔn)源等電路，實(shí)際上LDO已是一多電路集成的SoC。LDO的ESD>4KV，HBM ESD>8KV。

低壓差穩(wěn)壓器的應(yīng)用象三端穩(wěn)壓一樣簡(jiǎn)單方便，一般在輸入、輸出端各加一個(gè)濾波電容器即可。電容器的材質(zhì)對(duì)濾波效果有明顯影響，一定要選用低ESR的X7R X5R陶瓷電容器。

LDO布線設(shè)計(jì)要點(diǎn)是考慮如何降低PCB板上的噪音和紋波，如何走好線是一個(gè)技巧加經(jīng)驗(yàn)的工藝性細(xì)活，也是設(shè)計(jì)產(chǎn)品成功的關(guān)鍵之一。圖1說明了如何設(shè)計(jì)走線電路圖，掌握好電流回流的節(jié)點(diǎn)，有效的控制和降低噪音和紋波。優(yōu)化布線方案是值得參考的。

圖1：LDO布線電路方案

如果一個(gè)驅(qū)動(dòng)圖像處理器的LDO輸入電源是從單節(jié)鋰電池標(biāo)稱的3.6V，在電流為200mA時(shí)輸出1.8V電壓，那么轉(zhuǎn)換效率僅為50%，因此在手機(jī)中產(chǎn)生一些發(fā)熱點(diǎn)，并縮短了電池工作時(shí)間。雖然就較大的輸入與輸出電壓差而言，確實(shí)存在這些缺點(diǎn)，但是當(dāng)電壓差較小時(shí)，情況就不同了。例如，如果電壓從1.5V降至1.2V，效率就變成了80%。

當(dāng)采用1.5V主電源并需要降壓至1.2V為DSP內(nèi)核供電時(shí)，開關(guān)穩(wěn)壓器就沒有明顯的優(yōu)勢(shì)了。實(shí)際上，開關(guān)穩(wěn)壓器不能用來將1.5V電壓降至1.2V，因?yàn)闊o法完全提升MOSFET(無論是在片內(nèi)還是在片外)。LDO穩(wěn)壓器也無法完成這個(gè)任務(wù)，因?yàn)槠鋲翰钔ǔ８哂?00mV。

理想的解決方案是采用一個(gè)VLDO穩(wěn)壓器，輸入電壓范圍接近1V，其壓差低于300mV，內(nèi)部基準(zhǔn)接近0.5V。這樣的VLDO穩(wěn)壓器可以很容易地將電壓從1.5V降至1.2V，轉(zhuǎn)換效率為80%。因?yàn)樵谶@一電壓上的功率級(jí)通常為100mA左右，那么30mW的功率損耗是可以接受的。VLDO的輸出紋波可低于1mVP-P。將VLDO作為一個(gè)降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器的后穩(wěn)壓器就可容易地確保低紋波。

開關(guān)式DC/DC升降壓穩(wěn)壓器

開關(guān)式DC/DC升降壓穩(wěn)壓器按其功能分成Buck開關(guān)式DC/DC降壓穩(wěn)壓器、Boost開關(guān)式DC/DC升壓穩(wěn)壓器和根據(jù)鋰電池的電壓從4.2V降低到2.5V能自動(dòng)切換降升壓功能的Buck-Boost開關(guān)式DC/DC升降壓穩(wěn)壓器。當(dāng)輸入與輸出的電壓差較高時(shí)，開關(guān)穩(wěn)壓器避開了所有線性穩(wěn)壓器的效率問題。它通過使用低電阻開關(guān)和磁存儲(chǔ)單元實(shí)現(xiàn)了高達(dá)96%的效率，因此極大地降低了轉(zhuǎn)換過程中的功率損失。

Buck開關(guān)式DC/DC降壓穩(wěn)壓器是一種采用恒定頻率、電流模式降壓架構(gòu)，內(nèi)置主(P溝道MOSFET)和同步(N溝道MOSFET)開關(guān)。PWM控制的振蕩器頻率決定了它的工作效率和使用成本。選用開關(guān)頻率高的DC/DC可以極大地縮小外部電感器和電容器的尺寸和容量，如超過2MHz的高開關(guān)頻率。開關(guān)穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)較小，通常可以用好的設(shè)計(jì)技術(shù)來克服。但是電感器的頻率外泄干擾較難避免，設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)對(duì)其EMI輻射需要考慮。

圖2給出了Buck開關(guān)式DC/DC應(yīng)用線路設(shè)計(jì)，需要注圖中粗線的部分：粗線是大電流的通道;選用MuRata、Tayo-Yuden、TDKAVX品質(zhì)優(yōu)良、低ESR的X7R X5R陶瓷電容器;在應(yīng)用環(huán)境溫度高，或低供電電壓和高占空比條件下(如降壓)工作，要考慮器件的降溫和散熱。必須注意：SW vs. L1距離4mm;Cout vs. L1距離4mm;SW、Vin、Vout、GND的線必須粗短。

要得到一個(gè)運(yùn)作穩(wěn)定和低噪音的高頻開關(guān)穩(wěn)壓器，需要小心安排PCB板的布局結(jié)構(gòu)，所有的器件必需靠近DC/DC，可以把PCB板按功能分成幾塊，如圖3所示。1. 保持通路在Vin、Vout之間，Cin、Cout接地很短，以降低噪音和干擾;2. R1、R2和CF的反饋成份必須保持靠近VFB反饋腳，以防噪音;3. 大面積地直接聯(lián)接2腳和Cin、Cout的負(fù)端。