便攜產(chǎn)品電源芯片的應(yīng)用技術(shù)
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作者Email: alecyan@sh163.net
便攜產(chǎn)品電源設(shè)計需要系統(tǒng)級思維，在開發(fā)由電池供電的設(shè)備時，諸如手機、MP3、PDA、PMP、DSC等低功耗產(chǎn)品，如果電源系統(tǒng)設(shè)計不合理，則會影響到整個系統(tǒng)的架構(gòu)、產(chǎn)品的特性組合、元件的選擇、軟件的設(shè)計和功率分配架構(gòu)等。同樣，在系統(tǒng)設(shè)計中，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)有幾個不同的工作狀態(tài)，通過一系列不同的節(jié)能模式（空閑、睡眠、深度睡眠等）可減少對電池容量的消耗。即當(dāng)用戶的系統(tǒng)不需要最大處理能力時，處理器就會進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)展趨勢來看，需要考慮這樣幾個問題：
1）電源設(shè)計必須要從成本、性能和產(chǎn)品上市時間等整個系統(tǒng)設(shè)計來考慮；
2）便攜產(chǎn)品日趨小巧薄型化，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，延長電池壽命；
4）選用具有新技術(shù)的新產(chǎn)品電源芯片，將新的電源芯片應(yīng)用于新的設(shè)計方案中去，是保證新產(chǎn)品先進性的基本條件，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
低壓差穩(wěn)壓器（LDO Linear Regulators ）
LDO
VLDO；
基于電感器儲能的DC/DC Converters (Inductor Based Switching Regulators)
Buck
Boost
Buck-Boost；
基于電容器儲能的Charge Pumps (Switched Capacitor Regulators); ；
電池充電管理 Battery Chargers;
鋰電池保護 Lithium Battery Protection;
電源管理芯片選用思考
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，以降低成本周邊電路的應(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)計中的問題；
選用產(chǎn)品資料齊全、樣品和DEMO申請用易、能大量供貨的芯片；
選用產(chǎn)品性能/價格比好的芯片；
LDO線性低壓差穩(wěn)壓器
LDO線性低壓差穩(wěn)壓器是最簡單的線性穩(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。它最大的缺點是在熱量管理方面，因為其轉(zhuǎn)換效率近似等于輸出電壓除以輸入電壓的值。例如，如果一個驅(qū)動圖像處理器的LDO輸入電源是從單節(jié)鋰電池標(biāo)稱的3.6V，在電流為200mA時輸出1.8V電壓，那么轉(zhuǎn)換效率僅為50%，因此在手機中產(chǎn)生了一些發(fā)熱點，并縮短了電池工作時間。雖然就較大的輸入與輸出電壓差而言，確實存在這些缺點，但是當(dāng)電壓差較小時，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，開關(guān)穩(wěn)壓器就沒有明顯的優(yōu)勢了。實際上，開關(guān)穩(wěn)壓器不能用來將1.5V電壓降至1.2V，因為無法完全提升MOSFET(無論是在片內(nèi)還是在片外)。標(biāo)準(zhǔn)低壓差(LDO)穩(wěn)壓器也無法完成這個任務(wù)，因為其壓差通常高于300mV。理想的解決方案是采用一個非常低壓差(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%。因為在這一電壓上的功率級通常為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
當(dāng)輸入與輸出的電壓差較高時，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)和磁存儲單元實現(xiàn)了高達96%的效率，因此極大地降低了轉(zhuǎn)換過程中的功率損失。
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)壓器的缺點較小，通?？梢杂煤玫脑O(shè)計技術(shù)來克服。但是電感器的頻率外泄干擾較難避免，設(shè)計應(yīng)用時對其EMI輻射需要考慮。
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能自動切換降升壓功能的Buck-Boost開關(guān)式DC/DC升降壓穩(wěn)壓器。
電荷泵（Charge Pump）
電容式電荷泵通過開關(guān)陣列和振蕩器、邏輯電路、比較控制器實現(xiàn)電壓提升，采用電容器來貯存能量。電荷泵是無須電感的，但需要外部電容器。工作于較高的頻率，因此可使用小型陶瓷電容(1μF)，使空間占用最小，使用成本低。電荷泵僅用外部電容即可提供2倍的輸出電壓。其損耗主要來自電容器的ESR(等效串聯(lián)電阻)和內(nèi)部開關(guān)晶體管的RDS（ON）。電荷泵轉(zhuǎn)換器不使用電感，因此其輻射EMI可以忽略。輸入端噪聲可用一只小型電容濾除。它輸出電壓是工廠生產(chǎn)時精密予置的,調(diào)整能力是通過后端片上線性調(diào)整器實現(xiàn)的，因此電荷泵在設(shè)計時可按需要增加電荷泵的開關(guān)級數(shù)，以便為后端調(diào)整器提供足夠的活動空間。電荷泵十分適用于便攜式應(yīng)用產(chǎn)品的設(shè)計。從電容式電荷泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看,它實際上是一個片上系統(tǒng)。
線性穩(wěn)壓器與開關(guān)穩(wěn)壓器的比較
線性穩(wěn)壓器與開關(guān)穩(wěn)壓器的比較可從下表清楚看到。
LDO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
從圖1中可以看到，LDO電流主通道在其內(nèi)部是有一個MOSFET加一個過流檢測電阻組成，肖特基二極管作反相保護，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、過溫保護、信號放大、POWER-OK、基準(zhǔn)源等電路，實際上LDO已是一多電路集成的SOC。LDO的ESD>4KV，HBM ESD>8KV。圖2可見它的應(yīng)用實例。
圖1LDO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
低壓差穩(wěn)壓器 (LDOs)的應(yīng)用
低壓差穩(wěn)壓器的應(yīng)用象三端穩(wěn)壓一樣簡單方便，一般在輸入、輸出端各加一個濾波電容器即可。電容器的材質(zhì)對濾波效果有明顯影響，一定要選用低 ESR的X7R X5R 陶瓷電容器。
關(guān)于低壓差穩(wěn)壓器 (LDOs) 制造工藝
LDO低壓差穩(wěn)壓器串聯(lián)使用，它不是一個開關(guān)，也不是傳遞一個比輸出電壓更高的電壓；
一些LDO使用雙極晶體管（Bipolar）工藝，從根本上來說，Bipolar和CMOS工藝二者在功能上沒有區(qū)別，可是有一些內(nèi)在的性能差別，成本不同；
LDO布線考慮：降低噪音和紋波
LDO布線設(shè)計要點是考慮如何降低PCB板上的噪音和紋波，如何走好線是一個技巧加經(jīng)驗的工藝性細活，也是設(shè)計產(chǎn)品成功的關(guān)鍵之一。圖3說明了如何設(shè)計走線電路圖，掌握好電流回流的節(jié)點，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4說明了PCB板布線（Layout ）的設(shè)計技巧，被推薦的布線方案解決了電流回流路徑不良引出的噪音和紋波。
典型布線方案
優(yōu)化布線方案
圖3布線電路方案考慮
Buck開關(guān)式DC/DC降壓穩(wěn)壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)
從圖5的Buck開關(guān)式DC/DC降壓穩(wěn)壓器內(nèi)部拓撲結(jié)構(gòu)來看，這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。
DC/DC應(yīng)用電路設(shè)計思考
圖6 Buck開關(guān)式DC/DC應(yīng)用線路設(shè)計
圖6給出了Buck開關(guān)式DC/DC應(yīng)用線路設(shè)計，需要注圖中粗線的部分：
粗線是大電流的通道；
選用 MuRata, Tayo-Yuden, TDK AVX 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，要考慮器件的節(jié)溫和散熱。
圖7給出了Buck開關(guān)式DC/DC應(yīng)用PCB設(shè)計的實例，特別需要注意：
SW vs L1 距離 4mm
Cout vs L1 距離 4mm
SW、Vin、Vout、GND 的線必須粗短。
PCB板設(shè)計要點
要得到一個運作穩(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的負端。
DC/DC的應(yīng)用
1）APS1006應(yīng)用于MCU/DSP核(Core)供電
2）DC/DC應(yīng)用于0.8-1.8”微硬盤供電
4）APS1006、APS4070在智能手機上的應(yīng)用
電荷泵應(yīng)用技巧
電荷泵是一種無幅射的有效升壓器件，它不使用電感器而使用電容器作為儲能器件。在設(shè)計應(yīng)用時需要注意電容器的容量和材質(zhì)對輸出紋波的影響。
外部電容器的容量關(guān)系到輸出紋波，在固定的工作頻率下，太小的電容容量，將使輸出紋波增大。圖12 圖例是說明同一電荷泵的電容器容量影響輸出紋波。
輸出紋波大小與電容器材料介質(zhì)有關(guān)，外部電容器的材料類型關(guān)系到輸出紋波，圖13圖例是說明同一電荷泵，使用相同的容量和尺寸而不同材料類型的電容器，輸出紋波的結(jié)果。在工作頻率固定，電容器容量相同的情況下，優(yōu)良的材料介質(zhì)，將有效地降低紋波。選用低ESR的X7RX5R陶瓷電容器是一種比較好的選擇。
LCM 需要 MCM 電源模塊
LCM（LCD Module）是目前CP、MP3/MP4、PMP需求量較大的產(chǎn)品，在有限的PCB面積上，需要按裝LCD屏、數(shù)碼相機的鏡頭和閃光燈、Audio DAC等器件，因此它需要封裝很小的多芯片組合的電源模塊（MCM），以減小電源IC所占PCB的面積，而手機產(chǎn)品又要求這些電源IC對RF幾乎無干擾。圖14說明了這種電源模塊與LCM負載的關(guān)系。
鋰電池充電IC內(nèi)部架構(gòu)
鋰電池充電IC是一個片上系統(tǒng)（SOC），由圖15 可以看到它由讀取使能微控制器、2倍涓流充電控制器、電流環(huán)誤差放大器、電壓環(huán)誤差放大器、電壓比較器、溫度感測比較器、環(huán)路選擇和多工驅(qū)動器、充電狀態(tài)邏輯控制器、狀態(tài)發(fā)生器、多工器、LED信號發(fā)生器、MOSFET、基準(zhǔn)電壓、電源開機復(fù)位、欠電壓鎖定、過流/短路保護等十多個不同功能的IC整合在一個晶元上。它是一個高度集成、智能化芯片。
鋰電智能充電過程：涓流充恒流充恒壓充電壓檢測（圖16），因此電路設(shè)計的關(guān)鍵是要做到：充分保護、充分充電、自動監(jiān)測、自動控制。
鋰電池保護 IC
鋰電池保護電路是封裝在鋰電池包內(nèi)的，它由一顆鋰電池保護 IC和二顆MOSFET組成，如圖17所示。鋰電池保護電路簡單工作原理如下：
正常裝態(tài)M1、M2均導(dǎo)通；
過充電時M2 OC腳由高電位轉(zhuǎn)至低電位，電閘關(guān)閉，截止充電，實現(xiàn)過充電保護；
充電電流方向P+P- ；
過放電時M1 OD腳由高電位轉(zhuǎn)至低電位，電閘關(guān)閉，截止充放電，實現(xiàn)過放電保護；
放電電流方向P- P+ ；
鋰電池保護 IC Layout 技巧
鋰電池保護電路的PCB板是很小的，設(shè)計時必須注意：
1）MOSFET盡可能接近B-、P-；
2）ESD防護電容器盡可能接近P+、P-；
3）相鄰線間距>0.25mm，通過電流大的線要放寬，地線加寬。
圖18鋰電池保護電路的PCB板圖可供設(shè)計參考。
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