電源管理：便攜產(chǎn)品電源芯片的設(shè)計(jì)技巧

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(wèn)題。

便攜產(chǎn)品的電源設(shè)計(jì)需要系統(tǒng)級(jí)思維，在開(kāi)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(guò)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(lái)看，需要考慮以下幾個(gè)問(wèn)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(lái)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(wèn)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。

圖1：LDO布線電路方案。

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(wèn)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

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(wú)開(kāi)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。

圖2：Buck開(kāi)關(guān)式DC/DC應(yīng)用線路設(shè)計(jì)。

LDO電流主通道在其內(nèi)部是由一個(gè)MOSFET加一個(gè)過(guò)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(guò)流保護(hù)、過(guò)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(shuō)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3：APS1006應(yīng)用于電子礦燈。

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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器就沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)了。實(shí)際上，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器不能用來(lái)將1.5V電壓降至1.2V，因?yàn)闊o(wú)法完全提升MOSFET(無(wú)論是在片內(nèi)還是在片外)。LDO穩(wěn)壓器也無(wú)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的后穩(wěn)壓器就可容易地確保低紋波。

開(kāi)關(guān)式DC/DC升降壓穩(wěn)壓器

開(kāi)關(guān)式DC/DC升降壓穩(wěn)壓器按其功能分成Buck開(kāi)關(guān)式DC/DC降壓穩(wěn)壓器、Boost開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器避開(kāi)了所有線性穩(wěn)壓器的效率問(wèn)題。它通過(guò)使用低電阻開(kāi)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(guò)程中的功率損失。

圖4：APS1046應(yīng)用于0.8-1.8"微硬盤(pán)供電。

Buck開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)2MHz的高開(kāi)關(guān)頻率。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)較小，通?？梢杂煤玫脑O(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)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(kāi)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(kāi)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。

DC/DC應(yīng)用舉例：1. APS1006為MCU/DSP核(Core)供電；2. APS1006應(yīng)用于電子礦燈(圖3)；3. APS1046應(yīng)用于0.8-1.8"微硬盤(pán)供電(圖4)；4. APS1006、APS4070應(yīng)用于智能手機(jī)(圖5)。

電荷泵及其應(yīng)用技巧

圖5：APS1006、APS4070在智能手機(jī)上的應(yīng)用

電容式電荷泵通過(guò)開(kāi)關(guān)陣列和振蕩器、邏輯電路、比較控制器實(shí)現(xiàn)電壓提升，采用電容器來(lái)貯存能量。電荷泵是無(wú)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(lái)自電容器的等效串聯(lián)電阻(ESR)和內(nèi)部開(kāi)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(shí)精密予置的,調(diào)整能力是通過(guò)后端片上線性調(diào)整器實(shí)現(xiàn)的，因此電荷泵在設(shè)計(jì)時(shí)可按需要增加電荷泵的開(kāi)關(guān)級(jí)數(shù)，以便為后端調(diào)整器提供足夠的活動(dòng)空間。電荷泵十分適用于便攜式應(yīng)用產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。從電容式電荷泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)看，它實(shí)際上是一個(gè)片上系統(tǒng)。

電荷泵是一種無(wú)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(chǔ)能器件。在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)需要注意電容器的容量和材質(zhì)對(duì)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。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。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X7R X5R陶瓷電容器是一種比較好的選擇。

LCD Module(LCM)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(jī)的鏡頭和閃光燈、音頻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(jī)產(chǎn)品又要求這些電源IC對(duì)RF幾乎無(wú)干擾。

圖6：鋰電池保護(hù)電路。

電池充電管理芯片和鋰電池保護(hù)IC

鋰電池充電IC是一個(gè)片上系統(tǒng)(SoC)，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(cè)比較器、環(huán)路選擇和多工驅(qū)動(dòng)器、充電狀態(tài)邏輯控制器、狀態(tài)發(fā)生器、多工器、LED信號(hào)發(fā)生器、MOSFET、基準(zhǔn)電壓、電源開(kāi)機(jī)復(fù)位、欠電壓鎖定、過(guò)流/短路保護(hù)等十多個(gè)不同功能的IC整合在一個(gè)晶元上。它是一個(gè)高度集成、智能化芯片。鋰電智能充電過(guò)程：涓流充-->恒流充-->恒壓充-->電壓檢測(cè)，因此電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要做到：充分保護(hù)、充分充電、自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制。

鋰電池保護(hù)電路是封裝在鋰電池包內(nèi)的，它由一顆鋰電池保護(hù)IC和二顆MOSFET組成。在圖6中，OD代表過(guò)放電控制；OC代表過(guò)充電控制；P+、P-接充電器；B+、B-接鋰電池。鋰電池保護(hù)電路簡(jiǎn)單工作原理如下：正常裝態(tài)M1、M2均導(dǎo)通；過(guò)充電時(shí)M2 OC腳由高電位轉(zhuǎn)至低電位，電閘關(guān)閉，截止充電，實(shí)現(xiàn)過(guò)充電保護(hù)；充電電流方向P+-->P-；過(guò)放電時(shí)M1 OD腳由高電位轉(zhuǎn)至低電位，電閘關(guān)閉，截止充放電，實(shí)現(xiàn)過(guò)放電保護(hù)；放電電流方向P- -->P+。

鋰電池保護(hù)電路的PCB板是很小的，設(shè)計(jì)時(shí)必須注意：1. MOSFET盡可能接近B-、P-；2. ESD防護(hù)電容器盡可能接近P+、P-；3. 相鄰線間距>0.25mm，通過(guò)電流大的線要放寬，地線加寬。