便攜設(shè)備中供電電路的綜合考慮

在便攜設(shè)備和無線產(chǎn)品的設(shè)計中，設(shè)計人員常常面臨如何提高產(chǎn)品性能、進一步延長電池工作時間的挑戰(zhàn)，由于對成本和體積的要求比較苛刻，設(shè)計中會犧牲系統(tǒng)的某些指標(biāo)而采取一些折衷的解決方案。新型供電電路的出現(xiàn)彌補了以上設(shè)計中的不足，能夠保證系統(tǒng)高可靠性、高性能指標(biāo)的要求，并有效地延長電池壽命。供電電路的主要參數(shù)有成本、效率（電池壽命）、輸出紋波、噪聲及靜態(tài)電流。表一列出了這些參數(shù)與電路結(jié)構(gòu)、輸入輸出電壓范圍的相互關(guān)系，下面我們就結(jié)合表一，進一步闡述這些電路結(jié)構(gòu)的特點。一．低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器

低壓差線性穩(wěn)壓器的突出優(yōu)點是具有最低的成本，最低的噪聲和最低的靜態(tài)電流。它的外圍器件也很少，通常只有一兩個旁路電容。新型LDO 可達到以下指標(biāo)：30μV 輸出噪聲、60dB PSRR、6μA 靜態(tài)電流及100mV 的壓差。LDO 線性穩(wěn)壓器能夠?qū)崿F(xiàn)這些特性的主要原因在于內(nèi)部調(diào)整管采用了P 溝道場效應(yīng)管，而不是通常線性穩(wěn)壓器中的PNP 晶體管。P 溝道的場效應(yīng)管不需要基極電流驅(qū)動，所以大大降低了器件本身的電源電流；另一方面，在采用PNP 管的結(jié)構(gòu)中，為了防止PNP 晶體管進入飽和狀態(tài)降低輸出能力，必須保證較大的輸入輸出壓差；而P 溝道場效應(yīng)管的壓差大致等于輸出電流與其導(dǎo)通電阻的乘積，極小的導(dǎo)通電阻使其壓差非常低。

當(dāng)系統(tǒng)中輸入電壓和輸出電壓接近時， LDO 是最好的選擇，可達到很高的效率。所以在將鋰離子電池電壓轉(zhuǎn)換為3V 電壓的應(yīng)用中大多選用LDO，盡管電池最后放電能量的百分之十沒有使用，但是LDO 仍然能夠在低噪聲結(jié)構(gòu)中提供較長的電池壽命。二．電荷泵

基本的電荷泵電路成本較低，它的最大優(yōu)點是無需電感，外圍電路只需幾個電容，體積較小,能夠提供百分之九十五的效率；固定開關(guān)頻率時產(chǎn)生較大的噪聲和靜態(tài)電流。另外，這種結(jié)構(gòu)的輸出電壓只能是輸入電壓的倍數(shù)，利用四個內(nèi)部開關(guān)和一個外部飛電容（flying capacitor）能夠獲得輸入電壓的2 倍、1/2 倍或-1 倍輸出；也可以使用多級結(jié)構(gòu)獲得其它倍數(shù)的電壓，但成本和靜態(tài)電流也會增加，所以，在傳統(tǒng)的設(shè)計中，電荷泵結(jié)構(gòu)很少與電池直接相連，而是用于產(chǎn)生系統(tǒng)的輔電源，為小電路模塊或某一器件供電。但從目前的發(fā)展趨勢看， 新型的電荷泵輸出電流越來越大，而便攜式產(chǎn)品的功耗則越來越低，所以有些產(chǎn)品選用電荷泵做系統(tǒng)的主電源。

1．電荷泵+LDO

為了克服電荷泵電路固有的缺陷，某些新型電源將電荷泵與LDO 相結(jié)合，這種結(jié)構(gòu)可以得到任意的輸出電壓，而且降低了輸出噪聲，但效率也相應(yīng)有所下降，下降幅度與輸入輸出電壓有關(guān)，例如兩節(jié)NiMH 電池轉(zhuǎn)換為3V 的效率是3V/（2X2.4V）=63%。這里還沒有考慮電荷泵自身的效率損耗，LDO 的輸出電壓與電荷泵倍壓輸出越接近，這種結(jié)構(gòu)的效率越高。

2．電荷泵穩(wěn)壓器

新型電荷泵穩(wěn)壓器采用PFM 或PWM 方式，內(nèi)部電路不需要LDO。與電荷泵+LDO 方式相比，新型PFM 方式的電荷泵具有低成本、低靜態(tài)電流等特點，但輸出噪聲略有增加、兩種電路的效率基本相同。如果改變倍乘因子可以改善轉(zhuǎn)換效率。例如轉(zhuǎn)換兩節(jié)堿性電池到5V，新電池時使用兩倍壓，而電池電壓低于2.5V 時使用3 倍壓。升降壓應(yīng)用中，開始時使用降壓而后來使用兩倍升壓，可以改善效率。但是半導(dǎo)體行業(yè)很少采用這樣復(fù)雜的電荷泵穩(wěn)壓器。

電荷泵穩(wěn)壓器在主電源和后備電源中都十分有用，最新的電荷泵穩(wěn)壓器能夠提供250mA 的輸出電流，非常適合低功耗的應(yīng)用。它能夠產(chǎn)生存儲器所需要的編程電壓，為GaAs 射頻功率放大器產(chǎn)生非常穩(wěn)定的負偏置電壓等。三．DC-DC 轉(zhuǎn)換器

DC-DC 轉(zhuǎn)換器包括升壓、降壓、升/降壓和反相結(jié)構(gòu)，具有高效率、高輸出電流、低靜態(tài)電流等特點，隨著集成度的提高，許多新型DC-DC 轉(zhuǎn)換器的外圍電路僅需電感和濾波電容；但該

類電源控制器的輸出紋波和開關(guān)噪聲較大、成本相對較高。

近幾年隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，表面貼裝的電感、電容、以及高集成度的電源控制芯片的成本也不斷降低，體積越來越小。低導(dǎo)通電阻的場效應(yīng)管省去了外部大功率場效應(yīng)管，例如對于3V 的輸入電壓，利用片內(nèi)N 溝道場效應(yīng)管可以獲得5V/2A 的輸出。對于中小功率的應(yīng)用可以使用小型低成本封裝。另外，高達1MHZ 的開關(guān)頻率能夠降低成本、減小外部電感/電容的尺寸。某些新器件還增加許多新功能，如軟啟動、限流、PFM 或者PWM 方式選擇等。

1．DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器

幾乎所有的降壓型DC-DC 轉(zhuǎn)換器都比LDO 的效率要高，當(dāng)輸入電壓高于輸出電壓很多時更是如此，例如，將鋰離子電池轉(zhuǎn)換成1.8V 輸出。最新的降壓型DC-DC 轉(zhuǎn)換器內(nèi)置同步整流器和場效應(yīng)開關(guān)管，不僅提高了轉(zhuǎn)換效率，而且外部僅僅需要一個電感，簡化了設(shè)計。由于這種結(jié)構(gòu)能夠達到百分之百的占空比，可實現(xiàn)很低的壓差。通常PFM 方式的降壓型DC-DC 轉(zhuǎn)換器輸出紋波和噪聲較大，而靜態(tài)工作電流較小；PWM 方式的降壓型DC-DC 轉(zhuǎn)換器的輸出紋波和噪聲較小，但靜態(tài)工作電流較大。

在輸入電壓遠遠高于輸出電壓的應(yīng)用中，為達到高效率、低噪聲的指標(biāo)要求，有些降壓型DC-DC 控制器還內(nèi)置了LDO。

2．DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器

升壓轉(zhuǎn)換器是LDO 無法取代的，盡管電荷泵穩(wěn)壓方式可以實現(xiàn)升壓功能，但效率較低，輸出電流較小。因為升壓轉(zhuǎn)換器的輸出紋波和開關(guān)噪聲較大，需要選擇好的控制結(jié)構(gòu)以消除振蕩噪聲和開關(guān)場效應(yīng)管引起的效率損失。

最新的升壓型DC-DC 轉(zhuǎn)換器（圖1中的IC）同樣內(nèi)置同步整流管和開關(guān)管，實現(xiàn)了高效率、低功耗、小體積、多功能等特性。目前，便攜式產(chǎn)品的工作電流范圍越來越寬，這就要求單個IC 能夠?qū)崿F(xiàn)多種控制算法，圖1中的IC 包含低噪聲的PWM 工作方式和低工作電流的PFM 方式，可以提供很寬的負載電流，控制方式的改變可以瞬間完成而不會造成輸出中斷。如果采用外部同步時鐘可以減小開關(guān)對系統(tǒng)尤其是射頻系統(tǒng)的影響。圖1中的IC 利用一個瞬時接通按鈕進行通斷控制，實現(xiàn)對電源的開關(guān)，提高可靠性，減小體積。

將升壓型DC-DC 轉(zhuǎn)換器與LDO 相結(jié)合可實現(xiàn)兩個功能，即低噪聲升壓和高效率的升降壓。典型的升降壓應(yīng)用是從鋰離子電池得到3.3V，因為電池的大部分工作時間是3.6V，這時升壓轉(zhuǎn)換器待機，而LDO 工作，所以效率非常高，與傳統(tǒng)的SEPIC 方式相比可以使用更小的外圍器件?，F(xiàn)在已經(jīng)有幾種這樣結(jié)構(gòu)的單片解決方案（如圖1中的IC）。

3．DC-DC 升降壓H-橋式轉(zhuǎn)換器

為了進一步提高升降壓型轉(zhuǎn)換器的效率，可選用H—橋式轉(zhuǎn)換器，這種結(jié)構(gòu)需要一個電感，兩個功率場效應(yīng)管開關(guān)和兩個整流二極管，目前這些外圍器件和控制結(jié)構(gòu)的成本仍然較高，而且外部開關(guān)損耗也限制了它的效率的提高，特性指標(biāo)有待于進一步完善，隨著集成工藝的發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用會越來越多。

表一供電電路特性與電路結(jié)構(gòu)和輸入（Vin）輸出（Vout）電壓的關(guān)系

3．DC-DC 升降壓H-橋式轉(zhuǎn)換器

為了進一步提高升降壓型轉(zhuǎn)換器的效率，可選用H—橋式轉(zhuǎn)換器，這種結(jié)構(gòu)需要一個電感，兩個功率場效應(yīng)管開關(guān)和兩個整流二極管，目前這些外圍器件和控制結(jié)構(gòu)的成本仍然較高，而且外部開關(guān)損耗也限制了它的效率的提高，特性指標(biāo)有待于進一步完善，隨著集成工藝的發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用會越來越多。

表一供電電路特性與電路結(jié)構(gòu)和輸入（Vin）輸出（Vout）電壓的關(guān)系

3．DC-DC 升降壓H-橋式轉(zhuǎn)換器

為了進一步提高升降壓型轉(zhuǎn)換器的效率，可選用H—橋式轉(zhuǎn)換器，這種結(jié)構(gòu)需要一個電感，兩個功率場效應(yīng)管開關(guān)和兩個整流二極管，目前這些外圍器件和控制結(jié)構(gòu)的成本仍然較高，而且外部開關(guān)損耗也限制了它的效率的提高，特性指標(biāo)有待于進一步完善，隨著集成工藝的發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用會越來越多。

表一供電電路特性與電路結(jié)構(gòu)和輸入（Vin）輸出（Vout）電壓的關(guān)系

近幾年隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，表面貼裝的電感、電容、以及高集成度的電源控制芯片的成本也不斷降低，體積越來越小。低導(dǎo)通電阻的場效應(yīng)管省去了外部大功率場效應(yīng)管，例如對于3V 的輸入電壓，利用片內(nèi)N 溝道場效應(yīng)管可以獲得5V/2A 的輸出。對于中小功率的應(yīng)用可以使用小型低成本封裝。另外，高達1MHZ 的開關(guān)頻率能夠降低成本、減小外部電感/電容的尺寸。某些新器件還增加許多新功能，如軟啟動、限流、PFM 或者PWM 方式選擇等。

1．DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器

幾乎所有的降壓型DC-DC 轉(zhuǎn)換器都比LDO 的效率要高，當(dāng)輸入電壓高于輸出電壓很多時更是如此，例如，將鋰離子電池轉(zhuǎn)換成1.8V 輸出。最新的降壓型DC-DC 轉(zhuǎn)換器內(nèi)置同步整流器和場效應(yīng)開關(guān)管，不僅提高了轉(zhuǎn)換效率，而且外部僅僅需要一個電感，簡化了設(shè)計。由于這種結(jié)構(gòu)能夠達到百分之百的占空比，可實現(xiàn)很低的壓差。通常PFM 方式的降壓型DC-DC 轉(zhuǎn)換器輸出紋波和噪聲較大，而靜態(tài)工作電流較?。籔WM 方式的降壓型DC-DC 轉(zhuǎn)換器的輸出紋波和噪聲較小，但靜態(tài)工作電流較大。

在輸入電壓遠遠高于輸出電壓的應(yīng)用中，為達到高效率、低噪聲的指標(biāo)要求，有些降壓型DC-DC 控制器還內(nèi)置了LDO。

2．DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器

升壓轉(zhuǎn)換器是LDO 無法取代的，盡管電荷泵穩(wěn)壓方式可以實現(xiàn)升壓功能，但效率較低，輸出電流較小。因為升壓轉(zhuǎn)換器的輸出紋波和開關(guān)噪聲較大，需要選擇好的控制結(jié)構(gòu)以消除振蕩噪聲和開關(guān)場效應(yīng)管引起的效率損失。

最新的升壓型DC-DC 轉(zhuǎn)換器（圖1中的IC）同樣內(nèi)置同步整流管和開關(guān)管，實現(xiàn)了高效率、低功耗、小體積、多功能等特性。目前，便攜式產(chǎn)品的工作電流范圍越來越寬，這就要求單個IC 能夠?qū)崿F(xiàn)多種控制算法，圖1中的IC 包含低噪聲的PWM 工作方式和低工作電流的PFM 方式，可以提供很寬的負載電流，控制方式的改變可以瞬間完成而不會造成輸出中斷。如果采用外部同步時鐘可以減小開關(guān)對系統(tǒng)尤其是射頻系統(tǒng)的影響。圖1中的IC 利用一個瞬時接通按鈕進行通斷控制，實現(xiàn)對電源的開關(guān)，提高可靠性，減小體積。

將升壓型DC-DC 轉(zhuǎn)換器與LDO 相結(jié)合可實現(xiàn)兩個功能，即低噪聲升壓和高效率的升降壓。典型的升降壓應(yīng)用是從鋰離子電池得到3.3V，因為電池的大部分工作時間是3.6V，這時升壓轉(zhuǎn)換器待機，而LDO 工作，所以效率非常高，與傳統(tǒng)的SEPIC 方式相比可以使用更小的外圍器件?，F(xiàn)在已經(jīng)有幾種這樣結(jié)構(gòu)的單片解決方案（如圖1中的IC）。

3．DC-DC 升降壓H-橋式轉(zhuǎn)換器

為了進一步提高升降壓型轉(zhuǎn)換器的效率，可選用H—橋式轉(zhuǎn)換器，這種結(jié)構(gòu)需要一個電感，兩個功率場效應(yīng)管開關(guān)和兩個整流二極管，目前這些外圍器件和控制結(jié)構(gòu)的成本仍然較高，而且外部開關(guān)損耗也限制了它的效率的提高，特性指標(biāo)有待于進一步完善，隨著集成工藝的發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用會越來越多。

表一供電電路特性與電路結(jié)構(gòu)和輸入（Vin）輸出（Vout）電壓的關(guān)系

3．DC-DC 升降壓H-橋式轉(zhuǎn)換器

為了進一步提高升降壓型轉(zhuǎn)換器的效率，可選用H—橋式轉(zhuǎn)換器，這種結(jié)構(gòu)需要一個電感，兩個功率場效應(yīng)管開關(guān)和兩個整流二極管，目前這些外圍器件和控制結(jié)構(gòu)的成本仍然較高，而且外部開關(guān)損耗也限制了它的效率的提高，特性指標(biāo)有待于進一步完善，隨著集成工藝的發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用會越來越多。

表一供電電路特性與電路結(jié)構(gòu)和輸入（Vin）輸出（Vout）電壓的關(guān)系

3．DC-DC 升降壓H-橋式轉(zhuǎn)換器

為了進一步提高升降壓型轉(zhuǎn)換器的效率，可選用H—橋式轉(zhuǎn)換器，這種結(jié)構(gòu)需要一個電感，兩個功率場效應(yīng)管開關(guān)和兩個整流二極管，目前這些外圍器件和控制結(jié)構(gòu)的成本仍然較高，而且外部開關(guān)損耗也限制了它的效率的提高，特性指標(biāo)有待于進一步完善，隨著集成工藝的發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用會越來越多。

表一供電電路特性與電路結(jié)構(gòu)和輸入（Vin）輸出（Vout）電壓的關(guān)系

近幾年隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，表面貼裝的電感、電容、以及高集成度的電源控制芯片的成本也不斷降低，體積越來越小。低導(dǎo)通電阻的場效應(yīng)管省去了外部大功率場效應(yīng)管，例如對于3V 的輸入電壓，利用片內(nèi)N 溝道場效應(yīng)管可以獲得5V/2A 的輸出。對于中小功率的應(yīng)用可以使用小型低成本封裝。另外，高達1MHZ 的開關(guān)頻率能夠降低成本、減小外部電感/電容的尺寸。某些新器件還增加許多新功能，如軟啟動、限流、PFM 或者PWM 方式選擇等。

1．DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器

幾乎所有的降壓型DC-DC 轉(zhuǎn)換器都比LDO 的效率要高，當(dāng)輸入電壓高于輸出電壓很多時更是如此，例如，將鋰離子電池轉(zhuǎn)換成1.8V 輸出。最新的降壓型DC-DC 轉(zhuǎn)換器內(nèi)置同步整流器和場效應(yīng)開關(guān)管，不僅提高了轉(zhuǎn)換效率，而且外部僅僅需要一個電感，簡化了設(shè)計。由于這種結(jié)構(gòu)能夠達到百分之百的占空比，可實現(xiàn)很低的壓差。通常PFM 方式的降壓型DC-DC 轉(zhuǎn)換器輸出紋波和噪聲較大，而靜態(tài)工作電流較小；PWM 方式的降壓型DC-DC 轉(zhuǎn)換器的輸出紋波和噪聲較小，但靜態(tài)工作電流較大。

在輸入電壓遠遠高于輸出電壓的應(yīng)用中，為達到高效率、低噪聲的指標(biāo)要求，有些降壓型DC-DC 控制器還內(nèi)置了LDO。

2．DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器

升壓轉(zhuǎn)換器是LDO 無法取代的，盡管電荷泵穩(wěn)壓方式可以實現(xiàn)升壓功能，但效率較低，輸出電流較小。因為升壓轉(zhuǎn)換器的輸出紋波和開關(guān)噪聲較大，需要選擇好的控制結(jié)構(gòu)以消除振蕩噪聲和開關(guān)場效應(yīng)管引起的效率損失。

最新的升壓型DC-DC 轉(zhuǎn)換器（圖1中的IC）同樣內(nèi)置同步整流管和開關(guān)管，實現(xiàn)了高效率、低功耗、小體積、多功能等特性。目前，便攜式產(chǎn)品的工作電流范圍越來越寬，這就要求單個IC 能夠?qū)崿F(xiàn)多種控制算法，圖1中的IC 包含低噪聲的PWM 工作方式和低工作電流的PFM 方式，可以提供很寬的負載電流，控制方式的改變可以瞬間完成而不會造成輸出中斷。如果采用外部同步時鐘可以減小開關(guān)對系統(tǒng)尤其是射頻系統(tǒng)的影響。圖1中的IC 利用一個瞬時接通按鈕進行通斷控制，實現(xiàn)對電源的開關(guān)，提高可靠性，減小體積。

將升壓型DC-DC 轉(zhuǎn)換器與LDO 相結(jié)合可實現(xiàn)兩個功能，即低噪聲升壓和高效率的升降壓。典型的升降壓應(yīng)用是從鋰離子電池得到3.3V，因為電池的大部分工作時間是3.6V，這時升壓轉(zhuǎn)換器待機，而LDO 工作，所以效率非常高，與傳統(tǒng)的SEPIC 方式相比可以使用更小的外圍器件?，F(xiàn)在已經(jīng)有幾種這樣結(jié)構(gòu)的單片解決方案（如圖1中的IC）。

3．DC-DC 升降壓H-橋式轉(zhuǎn)換器

為了進一步提高升降壓型轉(zhuǎn)換器的效率，可選用H—橋式轉(zhuǎn)換器，這種結(jié)構(gòu)需要一個電感，兩個功率場效應(yīng)管開關(guān)和兩個整流二極管，目前這些外圍器件和控制結(jié)構(gòu)的成本仍然較高，而且外部開關(guān)損耗也限制了它的效率的提高，特性指標(biāo)有待于進一步完善，隨著集成工藝的發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用會越來越多。

表一供電電路特性與電路結(jié)構(gòu)和輸入（Vin）輸出（Vout）電壓的關(guān)系

3．DC-DC 升降壓H-橋式轉(zhuǎn)換器

為了進一步提高升降壓型轉(zhuǎn)換器的效率，可選用H—橋式轉(zhuǎn)換器，這種結(jié)構(gòu)需要一個電感，兩個功率場效應(yīng)管開關(guān)和兩個整流二極管，目前這些外圍器件和控制結(jié)構(gòu)的成本仍然較高，而且外部開關(guān)損耗也限制了它的效率的提高，特性指標(biāo)有待于進一步完善，隨著集成工藝的發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用會越來越多。

表一供電電路特性與電路結(jié)構(gòu)和輸入（Vin）輸出（Vout）電壓的關(guān)系

3．DC-DC 升降壓H-橋式轉(zhuǎn)換器

為了進一步提高升降壓型轉(zhuǎn)換器的效率，可選用H—橋式轉(zhuǎn)換器，這種結(jié)構(gòu)需要一個電感，兩個功率場效應(yīng)管開關(guān)和兩個整流二極管，目前這些外圍器件和控制結(jié)構(gòu)的成本仍然較高，而且外部開關(guān)損耗也限制了它的效率的提高，特性指標(biāo)有待于進一步完善，隨著集成工藝的發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用會越來越多。

表一供電電路特性與電路結(jié)構(gòu)和輸入（Vin）輸出（Vout）電壓的關(guān)系