便攜產(chǎn)品電源芯片的應(yīng)用技術(shù)

　　隨著便攜產(chǎn)品日趨小巧輕薄，對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)計的實際應(yīng)用中需要注意的各方面問題。  

　　便攜產(chǎn)品的電源設(shè)計需要系統(tǒng)級思維，在開發(fā)手機、 MP3、 PDA、 PMP、 DSC等由電池供電的低功耗產(chǎn)品時，如果電源系統(tǒng)設(shè)計不合理，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)計以及功率分配架構(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)有幾種不同的工作狀態(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。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。

 
圖1：LDO布線電路方案。
 
　　從便攜式產(chǎn)品電源管理的發(fā)展趨勢來看，需要考慮以下幾個問題：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)品日趨小巧輕薄化，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)的新型電源芯片進行方案設(shè)計，這是保證產(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)、基于電容器儲能的電荷泵、電池充電管理芯片、鋰電池保護IC。

　　選用電源管理芯片時應(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易于申請、能大量供貨的芯片；選用性價比好的芯片。 

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。

 
圖2：Buck開關(guān)式DC/DC應(yīng)用線路設(shè)計。
 

　　LDO電流主通道在其內(nèi)部是由一個 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。

　　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。

　　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1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3：APS1006應(yīng)用于電子礦燈。
 

　　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)。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

　　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。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。

 
圖4：APS1046應(yīng)用于0.8-1.8"微硬盤供電。
 

　　Buck開關(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。

　　圖2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"微硬盤供電(圖4)；4. APS1006、APS4070應(yīng)用于智能手機(圖5)。 

電荷泵及其應(yīng)用技巧

 
圖5：APS1006、APS4070在智能手機上的應(yīng)用
 

　　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等效串聯(lián)電阻(ESR)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)。
　　
　　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。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，而手機產(chǎn)品又要求這些電源IC對RF幾乎無干擾。 
圖6：鋰電池保護電路。
 

電池充電管理芯片和鋰電池保護IC

　　鋰電池充電IC是一個片上系統(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，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。在圖6中，OD代表過放電控制；OC代表過充電控制；P+、P-接充電器；B+、B-接鋰電池。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。