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[導(dǎo)讀]便攜產(chǎn)品電源設(shè)計(jì)系統(tǒng)級(jí)思維所涉及的要點(diǎn),電源芯片實(shí)際應(yīng)用需要注意的方方面面。

作者Email: alecyan@sh163.net

 

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1.2VDSP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RDSON。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。

 

 

LDO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

從圖1中可以看到,LDO電流主通道在其內(nèi)部是有一個(gè)MOSFET加一個(gè)過(guò)流檢測(cè)電阻組成,肖特基二極管作反相保護(hù),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(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、信號(hào)放大、POWER-OK、基準(zhǔn)源等電路,實(shí)際上LDO已是一多電路集成的SOC。LDOESD>4KV,HBM ESD>8KV。圖2可見(jiàn)它的應(yīng)用實(shí)例。

 

 

圖1  LDO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

 

低壓差穩(wěn)壓器 (LDOs)的應(yīng)用

低壓差穩(wěn)壓器的應(yīng)用象三端穩(wěn)壓一樣簡(jiǎn)單方便,一般在輸入、輸出端各加一個(gè)濾波電容器即可。電容器的材質(zhì)對(duì)濾波效果有明顯影響,一定要選用低 ESRX7R & X5R 陶瓷電容器。

 

 

關(guān)于低壓差穩(wěn)壓器 (LDOs) 制造工藝

         LDO低壓差穩(wěn)壓器串聯(lián)使用,它不是一個(gè)開(kāi)關(guān),也不是傳遞一個(gè)比輸出電壓更高的電壓;

一些LDO使用雙極晶體管(Bipolar)工藝,從根本上來(lái)說(shuō),BipolarCMOS工藝二者在功能上沒(méi)有區(qū)別,可是有一些內(nèi)在的性能差別,成本不同;

 

LDO布線考慮:降低噪音和紋波

LDO布線設(shè)計(jì)要點(diǎn)是考慮如何降低PCB板上的噪音和紋波,如何走好線是一個(gè)技巧加經(jīng)驗(yàn)的工藝性細(xì)活,也是設(shè)計(jì)產(chǎn)品成功的關(guān)鍵之一。圖3說(shuō)明了如何設(shè)計(jì)走線電路圖,掌握好電流回流的節(jié)點(diǎn),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。4說(shuō)明了PCB板布線(Layout )的設(shè)計(jì)技巧,被推薦的布線方案解決了電流回流路徑不良引出的噪音和紋波。

 

典型布線方案

 

優(yōu)化布線方案

圖3  布線電路方案考慮

 

 

Buck開(kāi)關(guān)式DC/DC降壓穩(wěn)壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

從圖5Buck開(kāi)關(guān)式DC/DC降壓穩(wěn)壓器內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)看,這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(kāi)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。

 

 

DC/DC應(yīng)用電路設(shè)計(jì)思考

 

6  Buck開(kāi)關(guān)式DC/DC應(yīng)用線路設(shè)計(jì)

 

6給出了Buck開(kāi)關(guān)式DC/DC應(yīng)用線路設(shè)計(jì),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 ESRX7R & 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,要考慮器件的節(jié)溫和散熱。

 

 

7給出了Buck開(kāi)關(guān)式DC/DC應(yīng)用PCB設(shè)計(jì)的實(shí)例,特別需要注意:

SW vs L1 距離 <4mm

Cout vs L1 距離 <4mm

SW、Vin、VoutGND 的線必須粗短。

PCB板設(shè)計(jì)要點(diǎn)

    要得到一個(gè)運(yùn)作穩(wěn)定和低噪音的高頻開(kāi)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,如圖所示。

1) 保持通路在Vin、Vout之間,CinCout接地很短,以降低噪音和干擾;

2R1、R2CF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(fù)端。

 

DC/DC的應(yīng)用

1APS1006應(yīng)用于MCU/DSP(Core)供電

2DC/DC應(yīng)用于0.8-1.8”微硬盤(pán)供電

 

4)APS1006、APS4070在智能手機(jī)上的應(yīng)用

 

 

電荷泵應(yīng)用技巧

電荷泵是一種無(wú)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(chǔ)能器件。在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)需要注意電容器的容量和材質(zhì)對(duì)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。圖12 圖例是說(shuō)明同一電荷泵的電容器容量影響輸出紋波。

 

 

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(lèi)型關(guān)系到輸出紋波,圖13 圖例是說(shuō)明同一電荷泵,使用相同的容量和尺寸而不同材料類(lèi)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。

 

 

LCM 需要 MCM 電源模塊

LCMLCD Module)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(jī)的鏡頭和閃光燈、Audio 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(jī)產(chǎn)品又要求這些電源IC對(duì)RF幾乎無(wú)干擾。圖14說(shuō)明了這種電源模塊與LCM負(fù)載的關(guān)系。

 

 

鋰電池充電IC內(nèi)部架構(gòu)

    鋰電池充電IC是一個(gè)片上系統(tǒng)(SOC),由圖15 可以看到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(cè)比較器、環(huán)路選擇和多工驅(qū)動(dòng)器、充電狀態(tài)邏輯控制器、狀態(tài)發(fā)生器、多工器、LED信號(hào)發(fā)生器、MOSFET、基準(zhǔn)電壓、電源開(kāi)機(jī)復(fù)位、欠電壓鎖定、過(guò)流/短路保護(hù)等十多個(gè)不同功能的IC整合在一個(gè)晶元上。它是一個(gè)高度集成、智能化芯片。


鋰電智能充電過(guò)程:涓流充
à恒流充à恒壓充à電壓檢測(cè)(圖16),因此電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要做到:充分保護(hù)、充分充電、自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制。

 

 

 

鋰電池保護(hù) IC

鋰電池保護(hù)電路是封裝在鋰電池包內(nèi)的,它由一顆鋰電池保護(hù) IC和二顆MOSFET組成,如圖17所示。鋰電池保護(hù)電路簡(jiǎn)單工作原理如下:

         正常裝態(tài)M1M2均導(dǎo)通;

         過(guò)充電時(shí)M2 OC腳由高電位轉(zhuǎn)至低電位,電閘關(guān)閉,截止充電,實(shí)現(xiàn)過(guò)充電保護(hù);

         充電電流方向P+àP- ;

         過(guò)放電時(shí)M1 OD腳由高電位轉(zhuǎn)至低電位,電閘關(guān)閉,截止充放電,實(shí)現(xiàn)過(guò)放電保護(hù);

         放電電流方向P- àP+ ;

 

 

鋰電池保護(hù) IC Layout 技巧

鋰電池保護(hù)電路的PCB板是很小的,設(shè)計(jì)時(shí)必須注意:

1MOSFET盡可能接近B-、P-

2ESD防護(hù)電容器盡可能接近P+、P-;

3)相鄰線間距>0.25mm,通過(guò)電流大的線要放寬,地線加寬。

18鋰電池保護(hù)電路的PCB板圖可供設(shè)計(jì)參考。

 

 

 

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