便攜產(chǎn)品電源芯片的應(yīng)用技術(shù)

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便攜產(chǎn)品電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

便攜產(chǎn)品電源設(shè)計(jì)需要系統(tǒng)級(jí)思維，在開(kāi)發(fā)由電池供電的設(shè)備時(shí)，諸如手機(jī)、MP3、PDA、PMP、DSC等低功耗產(chǎn)品，如果電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，則會(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)和功率分配架構(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)有幾個(gè)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。即當(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，需要考慮這樣幾個(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)品日趨小巧薄型化，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)的新產(chǎn)品電源芯片，將新的電源芯片應(yīng)用于新的設(shè)計(jì)方案中去，是保證新產(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。

便攜產(chǎn)品常用電源管理芯片

•         低壓差穩(wěn)壓器（LDO Linear Regulators ）

       LDO

       VLDO；

•         基于電感器儲(chǔ)能的DC/DC Converters (Inductor Based Switching Regulators)

       Buck

       Boost

       Buck-Boost；

•         基于電容器儲(chǔ)能的Charge Pumps (Switched Capacitor Regulators); ；

•         電池充電管理 Battery Chargers;

•         鋰電池保護(hù)  Lithium Battery Protection;

電源管理芯片選用思考

•         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，以降低成本周邊電路的應(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申請(qǐng)用易、能大量供貨的芯片；

•         選用產(chǎn)品性能/價(jià)格比好的芯片；

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。例如，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(chēng)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)生了一些發(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)。標(biāo)準(zhǔn)低壓差(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?/SPAN>300mV。理想的解決方案是采用一個(gè)非常低壓差(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

•         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。

•         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。

•         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。

電荷泵（Charge Pump）

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ESR(等效串聯(lián)電阻)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)。

線性穩(wěn)壓器與開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的比較

線性穩(wěn)壓器與開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的比較可從下表清楚看到。