如何實現(xiàn)更精巧的電源解決方案

本文詳述電源電路的最新發(fā)展狀況。文中還將介紹數(shù)款器件，說明電路架構與封裝技術的進步如何促成體積更小的電源解決方案。

把不同功能集成到同一芯片是PDA、便攜式導航系統(tǒng) (GPS) 和智能型手機等便攜式產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。就在幾年前，應用產(chǎn)品的每一組電源都需要單獨的電源轉換器，但隨著電池供電型產(chǎn)品的功能日益復雜，電源設計也開始改變，把產(chǎn)品所需的各種電源整合在一起已成為潮流，除了處理器所需的電源外，還有藍牙模塊、無線網(wǎng)絡模塊和屏幕等其它功能也需要獨立的電源。在這類應用中，電源供應方式可分為幾種：
?采用內(nèi)含其它功能的電源供應芯片，例如CODEC、ADC、音頻放大器和充電器等
?單個芯片提供全部所需電源
?功能模塊專用的電源轉換器

本文將介紹后面兩種解決方案。在設計中采用功能模塊專用的電源轉換器有幾項優(yōu)點：首先是電路板的零件位置更容易安排，因為它們可直接放在處理器或無線網(wǎng)絡模塊等供電目標的旁邊。其次，電路板布局更簡單，因為信號不必穿越整張電路板。另外，這些電源與其它電路之間的耦合也會降至最低，這對GPS模塊或鎖相回路 (PLL) 等敏感性電源特別重要。

這種做法對于以現(xiàn)有解決方案為基礎的后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)計劃也有好處，因為當工程師要改變產(chǎn)品設計時，他們可將變動范圍局限在功能模塊層級 – 設計人員只需修改功能升級的部份，其它電路則保持不變；相較之下，若應用只有一個電源芯片，工程師就要花更多精神讓設計符合新要求。由于縮短開發(fā)時間已成為產(chǎn)品成功的關鍵，這類電源供應方式顯然具有相當優(yōu)勢。

要提供這種解決方案，電源芯片必須達到幾項要求。首先必須有一系列器件提供所需的各種電源，且其體積必須盡量縮小，以免占用太多電路板空間。其次，這些芯片應很容易針對不同的需求搭配不同的解決方案。德州儀器 (TI) 的TPS6502x和TPS6505x系列就是例子，這些器件專門為手持裝置的應用處理器提供電源。由于不同系列的處理器會有不同的需要，它們也有專屬芯片來支持個別型號或個別系列的處理器及應用。

一般而言，使用電池的應用都會要求電源在很大的輸出電流范圍內(nèi)維持高效率，因此所有器件的操作都必須針對靜態(tài)電流最佳化。所謂靜態(tài)電流是芯片在不提供任何輸出電流的情形下，繼續(xù)維持輸出電壓所需的電流，這項參數(shù)對必須長時間處在待機模式的應用很重要。低靜態(tài)電流不但延長應用的待機時間，對直流電源轉換器在超低輸出電流下的工作效率也有很大影響。

降壓轉換器等直流電源轉換器的效率會受到三項因素影響：輸出電流很大時，效率主要由內(nèi)部電源開關的阻抗決定，因此低阻抗對這個操作范圍很重要。對于采用固定頻率脈寬調(diào)制 (PWM) 的降壓轉換器來說，負載周期是由輸入對輸出電壓的比值決定。輸出電壓很小時，內(nèi)部下端開關 (NMOS) 的導通時間會遠超過上端開關 (PMOS)；如果輸出電壓很高，就變成上端開關的導通時間比較長。因此若假設所有轉換器的輸入電壓都相同，設計人員就應針對轉換器的目標輸出電壓來選擇開關的大小和阻抗；一般來說，便攜式應用的鋰離子電池的電壓范圍大約從4.2V到3.0V，未來還可能進一步降低到2.5V。

當輸出電流在10-200mA范圍時，主要耗電來源就不再是開關阻抗，而是由電源開關的閘極電荷和電感功耗決定其效率。利用開關頻率控制輸出電流是在此操作范圍保持高效率的重要技巧，這種做法稱為脈沖頻率調(diào)制 (PFM)。PFM基本上會提供固定的電能到輸出端：輸出電流很大時，開關頻率就比較高，輸出電流低時則降低開關頻率，進而減少開關功耗。轉換器的輸出電流很低時，靜態(tài)電流造成的固定功耗就如前所述決定整體的效率。

TPS6502x和TPS6505x系列的所有器件都采用低耗電最佳設計，故能在很大的電壓和電流范圍內(nèi)提供最高轉換效率。表1是TPS502x系列概況，這些器件包含3組降壓轉換器，分別提供系統(tǒng)電壓、內(nèi)存電壓和處理器核心電壓；它們還包含兩組低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)，負責提供電源給鎖相回路 (PLL) 和SRAM或處理器的其它功能模塊。這些器件還有許多功能未列在表中，例如后備電池支持、I2C界面和重置功能。

*轉換器1-3的輸出電壓可通過外接電阻分壓器調(diào)整，LDO電壓則由兩支數(shù)字輸入接腳設定。另外，所有轉換器和兩組LDO的輸出電壓也能通過I2C界面設定。

若應用處理器需要更多電源，也可選擇TPS6505x系列。上述器件包括兩個降壓轉換器和4個具有較高的電源抑制比 (PSRR)的LDO。LDO可以提供電源給需要低噪聲的模塊，例如PLL、GPS模塊或無線網(wǎng)絡模塊。TPS6505x系列的封裝很小，而且只需很少的外部組件，故能設計出最小的電源供應解決方案。TPS6505x系列采用小巧的4 x 4毫米QFN封裝，引腳間距只有0.4毫米，引腳總數(shù)則多達32支。這么多的引腳和QFN封裝底部的散熱墊，讓TPS6505x系列成為散熱效能優(yōu)異的高集成解決方案。

圖1：TPS65052的結構圖

圖1是TPS65052的結構圖。這款器件專門支持三星電子 (Samsung) 的應用處理器，它們在低耗電模式需要1.0V核心電壓，正常操作模式則需要1.3V電壓。為了將外部零件減到最少，這款器件的降壓轉換器1會提供3.3V固定輸出電壓給I/O使用，轉換器2則負責提供核心電壓，且輸出電壓可設為1.0V或1.3V，具體設置視DEFDCDC2數(shù)字輸入引腳的狀態(tài)而定，因此不需外部零件來設定降壓轉換器的電壓。LDO也是如此，這款器件會根據(jù)內(nèi)部表格解讀DEFLDO1到DEFLDO4等4只數(shù)字輸入引腳的狀態(tài)，再按照解讀結果設定LDO輸出電壓。在這4組LDO中，有3組擁有獨立的輸入電壓引腳，可接受1.5-6.5V之間的任何輸入電壓。這些LDO還能接受不同的電源，其中1組可由電池提供，其它則可來自降壓轉換器1或系統(tǒng)內(nèi)的任何可用電源。工程師應為LDO選擇最低輸入電壓，這能將設計最佳化以實現(xiàn)高效率。此系列的其它器件還能通過外部電阻分壓器設定輸出電壓，確保應用設計更有靈活性。表2是TPS6505x系列選項。

除了降壓轉換器和LDO外，TPS6505x系列還包含1個具有100ms延遲時間的比較器，當它發(fā)現(xiàn)輸入電壓達到1V臨界值時，就會在漏極開路輸出引腳產(chǎn)生重置信號；另外，它還能通過引腳設定比較器動作的滯后時間。設計人員只要將比較器輸出連接到任何一個轉換器或LDO的啟動引腳，就能在電壓超過臨界值時啟動該LDO或轉換器。TPS6505x使設計人員只需一個很小的芯片，就能產(chǎn)生6組不同的電源和處理器重置信號。