降壓變換器在便攜式產(chǎn)品中的應(yīng)用

便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品集成了越來越多的新功能。隨著用戶對(duì)更小尺寸、更長(zhǎng)電池壽命的期盼，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨著更大的挑戰(zhàn)。每種新增功能都需要額外的空間和額外的功率，這樣，留給電池的空間將會(huì)更小，需要在更小的空間內(nèi)以更高的效率提供更大供電電流。本文就電源設(shè)計(jì)中的電流要求對(duì)不同類型的調(diào)節(jié)器進(jìn)行比較，討論它們?cè)诒銛y產(chǎn)品中的應(yīng)用。

概述

新一代便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品集成了越來越多的功能，很難對(duì)這些具體產(chǎn)品進(jìn)行分類。功能的增多有助于提高銷售量，但是，為了滿足用戶對(duì)更小尺寸、更長(zhǎng)電池壽命的要求，設(shè)計(jì)人員面臨著更大的挑戰(zhàn)。每種新增功能都需要額外的空間和額外的功率，由于留給電池的空間極其有限，因此，需要在更小的空間內(nèi)以更高的效率提供更大的供電電流。

對(duì)功率的更高要求改變了設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

近兩年，大多數(shù)手持產(chǎn)品采用一路降壓型(buck)轉(zhuǎn)換器和多路低壓差(LDO)線性穩(wěn)壓器方案，有些設(shè)計(jì)則只采用線性穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)。這種方案能夠提供良好的工作性能，由于大多數(shù)處理器采用3.0V或3.3V供電，在單節(jié)Li+電池供電時(shí)，LDO可提供適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換效率。但是，隨著對(duì)處理器功耗的要求和IC工藝向更小的亞微米技術(shù)的發(fā)展，微處理器的核電壓降至1.8V、1.5V、1.3V甚至0.9V。另外，典型的I/O電壓也從3.3V降至2.5V或1.8V。電壓的降低大大降低了LDO的效率，它所產(chǎn)生的熱量抵消了低核電壓和低I/O口電壓帶來的好處。因此，為了保持較高的效率，設(shè)計(jì)人員必須考慮選用降壓變換器。

為了滿足低電源電壓的需求，許多系統(tǒng)內(nèi)部采用多個(gè)處理器。例如，手機(jī)+ PDA組合就是個(gè)很好的例子，系統(tǒng)包含一個(gè)基帶處理器和一個(gè)應(yīng)用處理器，每個(gè)處理器都需要單獨(dú)的供電電源。手機(jī)和PDA上使用的相機(jī)模塊仍傾向于采用LDO供電，但相關(guān)的圖形處理器通常要求更低的電源電壓。因此，在多功能設(shè)計(jì)中，常常要用到多路buck電源。在一塊PC板上安裝三路buck電源已經(jīng)很常見。

新型定制電源管理芯片(PMIC)集成了一路或多路降壓變換器，但這些產(chǎn)品還常常不足以滿足用戶的要求。每增加一項(xiàng)新的功能，就有可能需要另外一路buck電源或需要提高buck電源的驅(qū)動(dòng)能力。顯而易見，只有那些能夠采用分立電源IC在最短的時(shí)間內(nèi)滿足新的設(shè)計(jì)需求的制造商才能保持與市場(chǎng)需求的同步增長(zhǎng)。

尺寸的挑戰(zhàn)

就目前的設(shè)計(jì)水平而言，要想在系統(tǒng)中增加一個(gè)降壓變換器不僅要增加成本，還要占用一定的電路板面積。三年前，典型的降壓變換器采用MSOP封裝，尺寸為15mm2，可工作在1MHz或更低的開關(guān)頻率，需要較大尺寸的外部電感和鉭電容。如圖1b所示，現(xiàn)在的1MHz降壓變換器采用TDFN封裝，尺寸已降至9mm2，且外部可以使用陶瓷電容和小尺寸電感，但其尺寸還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于LDO，如圖1a所示。

先進(jìn)的亞微米BiCMOS混合信號(hào)處理工藝是解決尺寸問題的關(guān)鍵技術(shù)，它能夠進(jìn)一步縮小電源IC的尺寸，提供其工作頻率，能夠選用更小尺寸的外部元件。許多IC制造商已經(jīng)能夠提供2MHz甚至更高頻率的電源IC，同時(shí)也采用了更小的封裝。如圖1c所示，Maxim的4MHz 降壓變換器MAX8560的尺寸幾乎與LDO一樣小!可采用更高的工作頻率，因此，允許使用微型電感，如：Taiyo Yuden的CB2012系列，0805封裝。

盡管1MHz和4MHz降壓變換器的制造工藝均有所提高，4MHz降壓變換器的效率要比1MHz降壓變換器的效率低，如圖2所示。因?yàn)檩^高的開關(guān)頻率會(huì)產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗，而微型電感也存在較大的磁芯損耗。值得慶幸的是，1MHz和4MHz的降壓變換器效率差別不大，而且，它們的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于LDO的效率(41%)。

結(jié)論

從上述分析可以看出，系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)有三種選擇：a)小尺寸、b)高效率或c)小尺寸加高效率。需要在電池壽命和系統(tǒng)物理尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡。由于方案c中的高頻降壓變換器能夠在不明顯增大電路版尺寸的前提下大大提高電源的轉(zhuǎn)換效率，因而理所當(dāng)然地成為多功能、便攜式消費(fèi)類產(chǎn)品的優(yōu)選方案。此外，考慮到降壓變換器產(chǎn)生的熱量低于LDO，因此，有可能以更小的尺寸取代LDO。