實(shí)用電源設(shè)計(jì)Q & A 系列之三-電源管理應(yīng)用

A1: 一般的LDO和高PSRR的LDO有甚么分別？

Q1: 這個(gè)問(wèn)題問(wèn)得非常典型，其實(shí)一般的LDO是起到穩(wěn)定電壓的作用，它對(duì)溫波造成的控制抑制基本集中在10K以下，在典型的LDO數(shù)據(jù)手冊(cè)里面， 在10K或是100K以下的PSR通常是在40DB以下，因?yàn)榇藭r(shí)的LDO誤差放大器基本上已經(jīng)失去了放大能力。對(duì)于實(shí)際的需求來(lái)說(shuō)，很多DCDC電源它的溫波頻率是在幾百K甚至上兆，如果是一個(gè)普通的LDO，對(duì)于這樣的噪聲抑制沒有任何能力，它只對(duì)聲頻范圍有抑制能力，對(duì)于需要射頻應(yīng)用的場(chǎng)合，LDO通常是無(wú)能為力的，而高PSR的LDO則能提供這方面的抑制，所以這也是一個(gè)根本上的完全不同的區(qū)別。

A2: DC/DC一般外接什么電容？鉭電容還是陶瓷電容？

Q2: 一般在便攜式的應(yīng)用里面，外接哪些電容在應(yīng)用的角度上問(wèn)題不大，反而是因?yàn)榻裉煸谧霰銛y式的產(chǎn)品，一般都會(huì)有高度和空間的限制，比如同樣的電容可能會(huì)比較不適合，像鉭電在之前還是比較流行，因?yàn)樗梢宰龅奖容^小的串聯(lián)阻抗，在狀態(tài)的響應(yīng)下比較好，但是鉭電會(huì)有環(huán)保的問(wèn)題，主流市場(chǎng)上已經(jīng)很少有人在用，現(xiàn)在市場(chǎng)上便協(xié)攜式的應(yīng)用中以陶瓷為主。其實(shí)在DCDC的應(yīng)用中，電源的選擇需要這樣的電容，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)大DC/DC的時(shí)候會(huì)考慮到能否使用陶瓷電容，特別是LDO的部分，大家可以看到之前LDO的Datesheet,特別標(biāo)明了可以用鉭電，實(shí)際上可以用鉭電并不是一個(gè)很好的優(yōu)點(diǎn)，所以未來(lái)的趨勢(shì)是用陶瓷電容，基本上在LDO的應(yīng)用上面，輸出電流里的電源阻抗會(huì)影響到環(huán)路的穩(wěn)定性，所以在早期希望用鉭電，但是如果你的靜面設(shè)計(jì)可以使用陶瓷電容，在設(shè)計(jì)成本和空間上會(huì)更有優(yōu)勢(shì)。

A3: 能否詳細(xì)同步整流的原理？

Q3: 同步整流是應(yīng)用在便攜式設(shè)計(jì)上的趨勢(shì)，大家如果知道DC/DC的電源架構(gòu)，可以從這方面來(lái)了解。一般在電感式的DC/DC中，主要有三種架構(gòu)，一種是升壓，一種是降壓，另一種是負(fù)壓。這三種架構(gòu)的原理都非常簡(jiǎn)單，基本是由一個(gè)電桿，一個(gè)主動(dòng)的開關(guān)和一個(gè)二極管來(lái)達(dá)成，只是它們接的方法不一樣，為什么會(huì)有這種同步架構(gòu)出現(xiàn)呢，主要是因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的架構(gòu)里，用了二極管在里面，其實(shí)它的作用是用在升降壓上面，一般的二極管在2.7V左右，模絲管可以降到0.4V或0.3V，就算降到0.4V或0.3V，它的損耗還是相當(dāng)大的，一般可能會(huì)大到10幾倍以上的范圍，所以在便攜式的產(chǎn)品里面很注重效率，一般會(huì)采用同步的方式，就是將二極管換成模絲管，它的好處是可以提升效率，但是它的問(wèn)題是用芯片來(lái)控制模絲管的時(shí)候必須能夠交錯(cuò)的turn on,turn off.讓兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，不然會(huì)造成輸入和輸出的短路，所以一般在同步的架構(gòu)里面設(shè)計(jì)的難度來(lái)自于芯片商，更大的挑戰(zhàn)是當(dāng)芯片越來(lái)越小的時(shí)候，會(huì)把切換頻率拉高，可以把電容和電桿一并縮小，但是在開關(guān)切換的過(guò)程中時(shí)間越短，在做這種控制的時(shí)候有一定的難度。從使用者的角度來(lái)看差別不大，主要是體積可以縮小，使用同步的架構(gòu)是便攜式趨勢(shì)。

A4: 如何選用電源管理芯片？我有12V的電壓輸入，能不能直接用一個(gè)TPS7333直接獲得3.3V輸出？

Q4: 這是一個(gè)很典型的例子，如何選擇LDO或DC/DC來(lái)做到，一般從成本考慮，我們會(huì)首先考慮LDO，LDO的優(yōu)點(diǎn)是輸出溫波較小，輸出非常干凈，成本低，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但是它帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)就是它的效率比較差，LDO的效率好不好是從輸入和輸出的壓差來(lái)看，在今天的應(yīng)用上面LDO的輸入和輸出壓差非常小，用V in/V out,你會(huì)發(fā)現(xiàn)它的效率還是不錯(cuò)的；反過(guò)來(lái)，如果輸入和輸出的壓差很大的話，效率會(huì)很差。以便攜式的產(chǎn)品來(lái)講，這種狀況是不能接受的，如果是一般桌上型產(chǎn)品的應(yīng)用，效率可能就不是那么重要，反而考慮的是如何散熱的問(wèn)題，所以根據(jù)你的輸出電流可以算出壓差造成的損失和熱有多少，如果這個(gè)問(wèn)題沒辦法解決我們還是建議回到DC/DC的應(yīng)用，因?yàn)榇藭r(shí)已經(jīng)不是效率的問(wèn)題，是散熱部分的問(wèn)題，如果散熱無(wú)法解決機(jī)器就無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)，最后的電路成本可能會(huì)比DC/DC來(lái)得高。

A5: RDS是什么意思？

Q5: RDS是指模絲管本身的等效阻抗，通?？磪?shù)是在DC/DC或LDO里面，因?yàn)橐话愣际鞘褂媚＝z管來(lái)做控制的元件，我們會(huì)去特別注意它在導(dǎo)通時(shí)的阻抗，我們會(huì)看到一個(gè)所謂RDS的規(guī)格，這個(gè)代表模絲管從極級(jí)到元極，當(dāng)開關(guān)完全打開的時(shí)候的等效阻抗，等效阻抗代表的意義可以 從兩個(gè)部分來(lái)看，以DC/DC來(lái)說(shuō)，因?yàn)殚_關(guān)的動(dòng)作永遠(yuǎn)是打開或關(guān)閉，打開的時(shí)候是個(gè)導(dǎo)通的路徑，這時(shí)候所有的電流流過(guò)上面會(huì)造成一個(gè)損失，會(huì)直接影響DC/DC的效率，如果DC/DC的效率要做得高，方法就是減少RDSR，就是要die的面積做大，這樣會(huì)增加成本，所以一般會(huì)根據(jù)輸出電流和整體DC/DC效率的優(yōu)化來(lái)考慮RDSR的設(shè)計(jì)；以LDO來(lái)講，RDSR代表的意義是當(dāng)輸出電壓一直降到?jīng)]有辦法regulation的時(shí)候，這時(shí)候的輸入和輸出是沒有再控制的，輸入電壓和輸出電壓的差就是RDSR流過(guò)的電流，這個(gè)壓差我們稱之為drop out,一般LDO可以操作的輸出電壓最低可以用drop out值，drop out值越大，RDSR就越大，成本會(huì)很低，但是LDO的輸入范圍就會(huì)變窄，反過(guò)來(lái)如果希望LDO的輸入電壓比較寬，RDSR就要做得小一點(diǎn)，成本同樣會(huì)增加。

A6: 充電器是如何區(qū)分插墻的還是USB的？

Q6: 一般在充電的應(yīng)用上面，有兩個(gè)充電的source，一個(gè)是USB，一個(gè)是adapt。在charger的選擇上面，會(huì)考慮單輸入還是雙輸入的，以充電IC本身來(lái)講，它的輸入口兩個(gè)是分開的話，斟測(cè)上會(huì)比較容易，因?yàn)閁SB的口一定是從USB進(jìn)來(lái)，只要檢測(cè)到電壓就知道USB已經(jīng)有連接了?，F(xiàn)在比較大的問(wèn)題是，在新的充電趨勢(shì)下，比如最近中國(guó)政府對(duì)于充電器的規(guī)格，希望能統(tǒng)一充電器的規(guī)格為一個(gè)mini或mini USB的規(guī)格，這種情況下，手機(jī)就只剩一個(gè)mini USB,實(shí)際在連接的時(shí)候有可能是從筆記本或電腦來(lái)充電，這時(shí)候從USB供電電流最大是500安培；另外一種狀況可能是從adapt來(lái)供電，充電電流可以到1安培，不同的輸入源進(jìn)入手機(jī)可能是同一個(gè)mini USB，在這樣的設(shè)計(jì)上面對(duì)USB電源的檢測(cè)會(huì)有一定的難度，不能只靠電源的斟測(cè)，就算檢測(cè)到有電壓也很難判斷是從USB或從adapt進(jìn)來(lái)。以TI目前的充電器BQ24070來(lái)講，可以斟測(cè)輸入是不是有電壓，但是沒有辦法告訴系統(tǒng)現(xiàn)在的電是USB還是adapt，必須靠數(shù)字的部分像是USB的transver上面來(lái)做communication告訴充電器，這是一個(gè)比較實(shí)際的方法，USB接上來(lái)的時(shí)候在數(shù)字上面需要communication來(lái)判斷是否可以做資料的傳輸或檔案的下載。

A7: 對(duì)于高速DSP，電源設(shè)計(jì)要注意什么，TI會(huì)推出哪些新的電源管理芯片？

Q7: 高速DSP通常電源要求非常復(fù)雜,可能也會(huì)工作在動(dòng)態(tài)的模式下,反應(yīng)也非常快,那我想簡(jiǎn)單的從基本的角度來(lái)講,對(duì)于多電源體系,通常要求對(duì)上電時(shí)序的控制,這個(gè)是很重要的一點(diǎn),另外在某一些多電源體系里面,某一些關(guān)閉的時(shí)候,我們通常要求他能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)徹底的關(guān)閉.比如我把某一個(gè)LDO關(guān)掉，這時(shí)LDO上的電流,他們的電路還是存在的，所以他的電容可能處于長(zhǎng)時(shí)間的和電狀態(tài),他的電壓一直不會(huì)降到零,然后一直從3.3降到2.8,甚至1.1,這是一個(gè)很長(zhǎng)的緩慢的過(guò)程,這個(gè)時(shí)候可能導(dǎo)致我們平常所稱的模擬器件的記憶效應(yīng),由于這個(gè)電源的存在呢，使的一些高速器件,數(shù)據(jù)管理器件上電負(fù)位不能準(zhǔn)確的完成,所以開發(fā)市場(chǎng)的就會(huì)發(fā)現(xiàn),他不能每次準(zhǔn)確的開機(jī),甚至有些產(chǎn)品在用戶手里也會(huì)出現(xiàn)這種情況,就是因?yàn)樗看蔚纳想姴皇菑?的開始,所以TI在PMU里面,我們向LDO的有源切放,通過(guò)一個(gè)有源的內(nèi)部控制電路把輸出電源的電放光,從而確保多電源體系在每次上電的時(shí)候是一個(gè)純粹的從0開始的過(guò)程,所以對(duì)于高速的DSP來(lái)講,電源放電需要照顧很多放電的公式,還要兼顧消耗的電荷,比如DSP進(jìn)入低頻模式,或者進(jìn)入STANBY 模式的時(shí)候,需要做一些調(diào)整,就需要一些功能,如剛剛有人提出TI有沒有PMU到PWN,轉(zhuǎn)換,TI 的產(chǎn)品是支持的,只是很難講說(shuō)是不是TI的一個(gè)DSP是不是完全COVER需求,但是基本上我們能夠滿足問(wèn)題所講的要求.當(dāng)然如果還有問(wèn)題的話，可以找我們的工程師幫你找到一個(gè)量身定制的方案。

A8: 請(qǐng)問(wèn)，在一個(gè)需要十幾路電源的便攜式電路系統(tǒng)中，如何考慮高集成度電源管理IC和分立IC的搭配？

Q8: 一般在多電源的系統(tǒng)里面,也是一個(gè)未來(lái)的趨勢(shì),像在現(xiàn)在便攜式的設(shè)計(jì)上面,因?yàn)楝F(xiàn)在是相同的體積,不管是手機(jī)或PMP或PDA等應(yīng)用,現(xiàn)在都要塞越來(lái)越多的功能進(jìn)去,所以在電源的分布上也會(huì)越來(lái)越困難,從實(shí)際來(lái)講,有幾個(gè)問(wèn)題,第一你要怎樣做芯片的PLACEMENT,比如芯片的集成是一個(gè)趨勢(shì),但一旦集成進(jìn)去后,比如你有10個(gè)CHANNEL的電源IC,你要怎么樣放在你的系統(tǒng)里面,放在中央可能拉的太遠(yuǎn),放邊邊,可能有一些LAYOUT又走不過(guò)去,特別對(duì)電源管理芯片來(lái)講,他比較大 問(wèn)題是,你放了一個(gè)大的芯片在上面,你以為你選擇的體積非常小,SOLUTION 非常好,可是當(dāng)你的集成度太高的時(shí)候,今天要走的TRACE橫跨半個(gè)PCB板到另一頭去,在這種情況下,TRACE 一般也比較粗,所以你因?yàn)檫x擇高集成度的芯片,你的布線可能比你選擇某個(gè)分離的還高,所以在新的設(shè)計(jì)里面,選擇電源管理芯片是非常重要的,那離散型的當(dāng)然有他PLACEMENT 的好處,那如果非常高度的集成,你在LAYOUT上又會(huì)延伸出非常大的困難,所以一般我們會(huì)建議選擇集成的芯片 ,但是集成度不要太高,比如我們剛剛講的電源管理芯片,他可能是兩路DCDC為主,然后幾個(gè)LDO給周邊的電路再應(yīng)用,一些比較遠(yuǎn)的部分,可以采用離散的或另外一組電源管理芯片來(lái)做,那針對(duì)我們剛剛講的部分還包括你可以把組芯片的電源供應(yīng)分離DISPLAY,還有BATTERY的一些電源管理芯片去做分開,這樣在布局和設(shè)計(jì)上會(huì)方便很多,那在COST 和TOTAL SOLUTION的面積上都會(huì)比較好。