利用DC-DC開(kāi)關(guān)電容穩(wěn)壓器提升便攜設(shè)備電源效率

手持式裝置核心處理器的供電電壓日益降低，但要兼顧效率與電池壽命，卻是另一項(xiàng)挑戰(zhàn)。在降壓轉(zhuǎn)換過(guò)程中最常利用的是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和LDO穩(wěn)壓器，但缺點(diǎn)在于尺寸太大，LDO如電壓偏離值很大時(shí)，轉(zhuǎn)換效率就驟降，開(kāi)關(guān)電容穩(wěn)壓器為新興技術(shù)，結(jié)合開(kāi)關(guān)電容器和LDO優(yōu)點(diǎn)，可整合至可攜式應(yīng)用中。

設(shè)法降低核心處理器的供電電壓是手持式裝置的全新技術(shù)趨勢(shì)之一，而在降壓的同時(shí)，也必須兼顧以更高效率延長(zhǎng)電池壽命的需求。目前這些裝置裡有多種新功能都有降壓轉(zhuǎn)換需求，如應(yīng)用處理器、記憶體和射頻(RF)設(shè)計(jì)等，從負(fù)載和空間參數(shù)兩項(xiàng)考量來(lái)看，目前在此類(lèi)應(yīng)用上最流行的解決方案，即採(cǎi)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和低壓降 (LDO)穩(wěn)壓器。

如只從效率考量，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是最佳的選擇，然當(dāng)電子零件高度和解決方案的尺寸限制超出電感器使用範(fàn)圍時(shí)，轉(zhuǎn)換器就可能改採(cǎi)LDO或開(kāi)關(guān)電容(SC)穩(wěn)壓器形式，電源解決方案通常無(wú)法提供較多電路板空間，但開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可提供比LDO和開(kāi)關(guān)電容穩(wěn)壓器更大的解決方案尺寸。

圖1為將典型的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器與開(kāi)關(guān)電容穩(wěn)壓器在解決方案尺寸上進(jìn)行比較，可看出開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器解決方案尺寸大約為45平方毫米，開(kāi)關(guān)電容器為25平方毫米，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器大多需2.2μH電感，當(dāng)以開(kāi)關(guān)電容穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換電力卻不希望使用電感時(shí)，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可能是小而有效率的替代品。

電壓偏離導(dǎo)致LDO效率降低

LDO在要求的電壓與電池電壓相近時(shí)最有效率，但如電壓偏離值很遠(yuǎn)時(shí)，LDO效率就會(huì)降的很低，例如以3.6伏特電壓為一個(gè)僅要求1.5伏特電壓的微處理器鋰離子電池充電時(shí)，把電池電壓與1.5伏特LDO連接起來(lái)，就能為微處理器產(chǎn)生一個(gè)完整、穩(wěn)定和小量的電源，但耗電量卻非常明顯。

LDO消耗功率(PD)等于負(fù)載電流(ILOAD)與輸入和輸出電壓的差相乘，即PD=ILOAD×(3.6～1.5)=ILOAD×2.3V。換句話說(shuō)，此例中，如以LDO做降壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，僅產(chǎn)生42%的效率，表示LDO消耗剩余功率，且大幅增加晶片(Die)溫度，而此種溫度上升將引發(fā)裝置可靠性相關(guān)問(wèn)題。

由于具電壓增益能力，開(kāi)關(guān)電容穩(wěn)壓器成為比線性穩(wěn)壓器更有效的解決方案，此電壓增益透過(guò)在雙相位，即充電相位和傳輸相位中的堆疊電容器和并行電容器所取得的輸入電壓與輸出電壓比率，如位于增益配置中的一個(gè)開(kāi)關(guān)電容轉(zhuǎn)換器的1/2將把一個(gè)3.6伏特的輸入電壓(VIN)轉(zhuǎn)變?yōu)?.8伏特的輸出電壓 (VOUT);如要求的輸出電壓是1.5伏特，則功率消耗僅為300毫伏特與負(fù)載電流的乘積，相當(dāng)于83%的效率。

開(kāi)關(guān)電容器可保持給定負(fù)載效率

隨著VIN的上升，由轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的VIN和VOUT間的能量增加將引起功率耗損和效率下降。解決此問(wèn)題所採(cǎi)取的模式為轉(zhuǎn)變一個(gè)更高的效率增益，如同汽車(chē)替換檔位一般。圖2顯示開(kāi)關(guān)電容器降壓穩(wěn)壓器、LDO及開(kāi)關(guān)電容器的效率曲線。開(kāi)關(guān)電容器類(lèi)比設(shè)有一個(gè)類(lèi)比增益控制和變化，以保持給定負(fù)載效率持續(xù)性，開(kāi)關(guān)電容器具離散增益步驟，由VOUT/(增益×VIN)來(lái)給定效率，且這些效率取決于離散增益，一個(gè)LDO僅擁有一個(gè)增益及3者中最低的效率，開(kāi)關(guān)電容器穩(wěn)壓器則有3個(gè)不同的電壓增益，即2/3、1/2和1/3。

從SC穩(wěn)壓器隨著VIN的增長(zhǎng)可看出，電壓增益變化從2/3～1/2及1/2～1/3，因此整個(gè)負(fù)載範(fàn)圍的效率達(dá)最大化，帶來(lái)鋰離子電池電壓範(fàn)圍 3.4～3.8伏特上80%的功率，在相同應(yīng)用中的LDO卻僅達(dá)到50%效率，隨電感器種類(lèi)不同，典型的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器應(yīng)具有88～90%效率。

傳統(tǒng)上，穩(wěn)壓器乃依據(jù)有效數(shù)量進(jìn)行比較，但由于鋰離子電池特性，要根據(jù)時(shí)量效率或鋰離子電池充分放電所需時(shí)間來(lái)判定，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用200毫安培的負(fù)載電流，使用典型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，可比使用開(kāi)關(guān)電容穩(wěn)壓器持續(xù)時(shí)間多出6～8%，假設(shè)最大負(fù)載與微處理器中的情況一樣，僅表現(xiàn)到時(shí)間的20～30%，則電感開(kāi)關(guān)和開(kāi)關(guān)電容穩(wěn)壓器間操作時(shí)間的差別可忽略。

須在效率與成本之間取捨

開(kāi)關(guān)電容穩(wěn)壓器的更多增益可能會(huì)增加少許效率，但卻須要增加更多外部電容器和內(nèi)部場(chǎng)效電晶體(FET)，促使成本上升，同時(shí)也增加解決方案尺寸。上述增益可透過(guò)兩個(gè)外部電容器或快速電容器(CFLY)取得，這些電容器用于儲(chǔ)存電荷，并將電荷從VIN傳輸?shù)絍OUT，除快速電容，還需一個(gè)輸入電容器 (CIN)及輸出電容器(COUT)，輸入電容器指示電壓波紋，而輸出電容器控制輸出電壓波紋，依VIN和VOUT可接受的波紋標(biāo)準(zhǔn)值，CIN和COUT 值的一般範(fàn)圍是從1～10微法，且CFLY的數(shù)量通常比COUT少，外部電容器透過(guò)內(nèi)部的功率FET在不同的配置中連接到晶片。

圖3顯示2/3、1/2和1增益的不同配置。電容器C1和C2是快速電容器，CIN和COUT被刪除以達(dá)減化目的，一個(gè)增益透過(guò)兩個(gè)相位間的交替變化來(lái)取得，即充電相位、普通相位和放電相位，在不同增益間設(shè)有一個(gè)共同相位，以便在增益間達(dá)無(wú)縫，透過(guò)共同相位，可依需要隨時(shí)進(jìn)行無(wú)縫增益，一個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器在晶片上可能有1～2個(gè)功率FET，而根據(jù)離散電壓增益的數(shù)量，一個(gè)開(kāi)關(guān)電容穩(wěn)壓器可能在晶片任何位置上設(shè)有4～9個(gè)或更多的功率FET，即限制在給定晶片尺寸下，開(kāi)關(guān)電容穩(wěn)壓器的輸出電流性能(圖4)。

為利用開(kāi)關(guān)電容穩(wěn)壓器來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，可考慮使用脈波頻率調(diào)變(PFM)或脈波寬度調(diào)變(PWM)，開(kāi)關(guān)電容穩(wěn)壓器的輸出阻抗與開(kāi)關(guān)頻率和內(nèi)部功率FET 的電阻成比例。透過(guò)調(diào)製輸出阻抗，可再透過(guò)轉(zhuǎn)換器對(duì)給定負(fù)載進(jìn)行降壓;使用回授，即能控制頻率或內(nèi)部FET阻抗，以調(diào)節(jié)輸出電壓，而PFM方案為較傳統(tǒng)方法，以下將列出其缺點(diǎn)。

在PFM類(lèi)系統(tǒng)中，輸出電壓如高于一個(gè)指定值，穩(wěn)壓器即進(jìn)行關(guān)機(jī)控制，至輸出電壓降到所需值以下時(shí)再重新開(kāi)機(jī)，使用PFM控制模式的優(yōu)勢(shì)是操作電壓取決于 VIN和ILOAD，同時(shí)兩者皆可調(diào)整。負(fù)載越高、操作頻率就越接近指定頻率，但此操作範(fàn)圍內(nèi)的頻率變化可能不適用某些可攜式應(yīng)用，輸入電壓波紋也取決于 VIN和ILOAD，圖5顯示250毫安培和30毫安培負(fù)載的輸出波紋。10微法COUT的輸出波紋將為50毫伏特，可看到250毫安培負(fù)載的波紋頻率高于10毫安培負(fù)載的波紋頻率。

PWM模式可固定操作頻率/工作周期

最近的PWM調(diào)控模式處理PFM架構(gòu)中的各種頻率和高輸出波紋時(shí)，多數(shù)開(kāi)關(guān)電容穩(wěn)壓器皆採(cǎi)PWM調(diào)制模式，功率FET電阻根據(jù)VOUT和ILOAD進(jìn)行控制，才確實(shí)控制快速電容器所提供的充電量，此被稱(chēng)為預(yù)調(diào)製。在此模式下，操作頻率和工作周期皆固定，圖6顯示一個(gè)PWM架構(gòu)輸出波紋，其處于4.7微法 COUT的8～10毫伏特的順序中，可看出在ILOAD變化的情況下波紋可持續(xù)，9毫伏特的波紋輸出可與在電感開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中的波紋相同。

開(kāi)關(guān)電容穩(wěn)壓器是新興技術(shù)，結(jié)合開(kāi)關(guān)電容器和LDO的優(yōu)點(diǎn)，亦即將鋰離子電池範(fàn)圍的效率和小尺寸的解決方案整合至可攜式應(yīng)用中，而最近拓樸技術(shù)也使用被動(dòng)元件的更小值以達(dá)到更低雜訊，可攜式裝置中的許多功能都要求降壓穩(wěn)壓器須具更小尺寸和更高效率，而開(kāi)關(guān)電容器解決方案為理想選擇。