利用DC-DC開關(guān)電容穩(wěn)壓器提升便攜設(shè)備電源效率　

　　手持式裝置核心處理器的供電電壓日益降低，但要兼顧效率與電池壽命，卻是另一項挑戰(zhàn)。在降壓轉(zhuǎn)換過程中最常利用的是開關(guān)穩(wěn)壓器和LDO穩(wěn)壓器，但缺點在于尺寸太大，LDO如電壓偏離值很大時，轉(zhuǎn)換效率就驟降，開關(guān)電容穩(wěn)壓器為新興技術(shù)，結(jié)合開關(guān)電容器和LDO優(yōu)點，可整合至可攜式應(yīng)用中。

　　設(shè)法降低核心處理器的供電電壓是手持式裝置的全新技術(shù)趨勢之一，而在降壓的同時，也必須兼顧以更高效率延長電池壽命的需求。目前這些裝置裡有多種新功能都有降壓轉(zhuǎn)換需求，如應(yīng)用處理器、記憶體和射頻（RF）設(shè)計等，從負(fù)載和空間參數(shù)兩項考量來看，目前在此類應(yīng)用上最流行的解決方案，即採開關(guān)穩(wěn)壓器和低壓降 （LDO）穩(wěn)壓器。

　　如只從效率考量，開關(guān)穩(wěn)壓器是最佳的選擇，然當(dāng)電子零件高度和解決方案的尺寸限制超出電感器使用範(fàn)圍時，轉(zhuǎn)換器就可能改採LDO或開關(guān)電容（SC）穩(wěn)壓器形式，電源解決方案通常無法提供較多電路板空間，但開關(guān)穩(wěn)壓器可提供比LDO和開關(guān)電容穩(wěn)壓器更大的解決方案尺寸。

　　圖1為將典型的開關(guān)穩(wěn)壓器與開關(guān)電容穩(wěn)壓器在解決方案尺寸上進(jìn)行比較，可看出開關(guān)穩(wěn)壓器解決方案尺寸大約為45平方毫米，開關(guān)電容器為25平方毫米，開關(guān)穩(wěn)壓器大多需2.2μH電感，當(dāng)以開關(guān)電容穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換電力卻不希望使用電感時，開關(guān)穩(wěn)壓器可能是小而有效率的替代品。

　　電壓偏離導(dǎo)致LDO效率降低

　　LDO在要求的電壓與電池電壓相近時最有效率，但如電壓偏離值很遠(yuǎn)時，LDO效率就會降的很低，例如以3.6伏特電壓為一個僅要求1.5伏特電壓的微處理器鋰離子電池充電時，把電池電壓與1.5伏特LDO連接起來，就能為微處理器產(chǎn)生一個完整、穩(wěn)定和小量的電源，但耗電量卻非常明顯。

　　LDO消耗功率（PD）等于負(fù)載電流（ILOAD）與輸入和輸出電壓的差相乘，即PD=ILOAD×（3.6～1.5）=ILOAD×2.3V。換句話說，此例中，如以LDO做降壓轉(zhuǎn)換器時，僅產(chǎn)生42%的效率，表示LDO消耗剩余功率，且大幅增加晶片（Die）溫度，而此種溫度上升將引發(fā)裝置可靠性相關(guān)問題。

　　由于具電壓增益能力，開關(guān)電容穩(wěn)壓器成為比線性穩(wěn)壓器更有效的解決方案，此電壓增益透過在雙相位，即充電相位和傳輸相位中的堆疊電容器和并行電容器所取得的輸入電壓與輸出電壓比率，如位于增益配置中的一個開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器的1/2將把一個3.6伏特的輸入電壓（VIN）轉(zhuǎn)變?yōu)?.8伏特的輸出電壓 （VOUT）；如要求的輸出電壓是1.5伏特，則功率消耗僅為300毫伏特與負(fù)載電流的乘積，相當(dāng)于83%的效率。

　　開關(guān)電容器可保持給定負(fù)載效率

　　隨著VIN的上升，由轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的VIN和VOUT間的能量增加將引起功率耗損和效率下降。解決此問題所採取的模式為轉(zhuǎn)變一個更高的效率增益，如同汽車替換檔位一般。圖2顯示開關(guān)電容器降壓穩(wěn)壓器、LDO及開關(guān)電容器的效率曲線。開關(guān)電容器類比設(shè)有一個類比增益控制和變化，以保持給定負(fù)載效率持續(xù)性，開關(guān)電容器具離散增益步驟，由VOUT/（增益×VIN）來給定效率，且這些效率取決于離散增益，一個LDO僅擁有一個增益及3者中最低的效率，開關(guān)電容器穩(wěn)壓器則有3個不同的電壓增益，即2/3、1/2和1/3。

　　從SC穩(wěn)壓器隨著VIN的增長可看出，電壓增益變化從2/3～1/2及1/2～1/3，因此整個負(fù)載範(fàn)圍的效率達(dá)最大化，帶來鋰離子電池電壓範(fàn)圍 3.4～3.8伏特上80%的功率，在相同應(yīng)用中的LDO卻僅達(dá)到50%效率，隨電感器種類不同，典型的開關(guān)穩(wěn)壓器應(yīng)具有88～90%效率。

　　傳統(tǒng)上，穩(wěn)壓器乃依據(jù)有效數(shù)量進(jìn)行比較，但由于鋰離子電池特性，要根據(jù)時量效率或鋰離子電池充分放電所需時間來判定，根據(jù)經(jīng)驗，運用200毫安培的負(fù)載電流，使用典型開關(guān)穩(wěn)壓器，可比使用開關(guān)電容穩(wěn)壓器持續(xù)時間多出6～8%，假設(shè)最大負(fù)載與微處理器中的情況一樣，僅表現(xiàn)到時間的20～30%，則電感開關(guān)和開關(guān)電容穩(wěn)壓器間操作時間的差別可忽略。

　　須在效率與成本之間取捨

　　開關(guān)電容穩(wěn)壓器的更多增益可能會增加少許效率，但卻須要增加更多外部電容器和內(nèi)部場效電晶體（FET），促使成本上升，同時也增加解決方案尺寸。上述增益可透過兩個外部電容器