TI工程師教你如何正確選擇電源IC

正確選擇電源的集成電路(IC)表面上看似易如反掌。然而，隨著需要多電源電壓軌的消費(fèi)類電子產(chǎn)品的推出，這項(xiàng)工作變得愈發(fā)復(fù)雜。當(dāng)選擇實(shí)際工作中所需的IC時(shí)，必須考慮成本、解決方案的外形尺寸、電源、占空比以及所需的輸出功率等諸多因素。另外，必須根據(jù)重要性和相應(yīng)選擇的電源，對(duì)這些因素進(jìn)行排序。在本文中，我們將確定圖1所示電源的最佳解決方案。

示例應(yīng)用中采用的是便攜式電源，同時(shí)要求最大程度地降低功耗以及減小封裝尺寸、并由一塊單體鋰離子電池供電(12V供電電源對(duì)其進(jìn)行不間斷充電)。我們想最大限度的降低成本，但是，這種成本的降低只能以犧牲空間的方式為代價(jià)，而空間是最重要的要求條件。其次，就是最大限度的提高效率來(lái)延長(zhǎng)電池的使用壽命。

選擇最佳的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

首先，我們要檢查各電源軌的功率要求，以確定應(yīng)采用何種DC/DC轉(zhuǎn)換器(如感應(yīng)式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、線性調(diào)節(jié)器或充電泵)。

通常情況下，感應(yīng)式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)是獲取最高效率的最佳選擇。而感應(yīng)式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電路需要一個(gè)轉(zhuǎn)換組件、一個(gè)整流器、一個(gè)電感器以及若干輸入和輸出電容器。在很多應(yīng)用中，可通過(guò)選用IC轉(zhuǎn)換組件和整流器均可實(shí)現(xiàn)器件的高度集成以此來(lái)縮小解決方案的尺寸。而且，上述電路的效率通常介于80%至96%之間，具體數(shù)值要視負(fù)載情況而定。由于電感器的尺寸所致，因此開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器通常需要更大的空間，而且其價(jià)格一般也比較昂貴。另外，由于轉(zhuǎn)換的存在，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器也會(huì)從電感器和輸出端的噪聲中產(chǎn)生電磁干擾(EMI)輻射。

低壓降線性調(diào)節(jié)器(LDO)通過(guò)降低旁路組件兩端的輸入電壓來(lái)降低直流電壓。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于只需配置三種部件(旁路組件、輸入/輸出電容器)。 通常來(lái)說(shuō)，LDO比較便宜，而且產(chǎn)生的噪聲比感應(yīng)式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)低得多。由于該器件的輸入電流和負(fù)載電流相同，因此采用該解決方案的效率等同于輸出/輸入電壓的比值。然而，該方案的不足之處就是當(dāng)輸入/輸出電壓的比值較大時(shí)，則其效率較低。而且，所有的功率都被旁路組件消耗掉了，這也就是說(shuō)，對(duì)于輸入/輸出差額懸殊的大電流應(yīng)用而言，LDO并非是上佳之選。因?yàn)樵诖蠊β实膽?yīng)用中，需要配置散熱裝置，所以這將增大解決方案的尺寸。

充電泵通過(guò)采用“快速”電容器(作為存儲(chǔ)組件)來(lái)提高/降低直流電壓或改變其極性，同時(shí)采用內(nèi)部開(kāi)關(guān)來(lái)連接電容器，使其能夠進(jìn)行所需的DC/DC轉(zhuǎn)換。一般而言，充電泵要比感應(yīng)式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的成本低，而且不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。但是，充電泵的輸出紋波通常比感應(yīng)式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)大，充電泵在輸出功率方面也受到限制。同時(shí)，其瞬態(tài)響應(yīng)受到快速電容器充電速率的限制。另外，在輸入電壓和輸出電壓相當(dāng)?shù)膽?yīng)用中，充電泵的效率通常相當(dāng)?shù)?。于是，為了進(jìn)一步減小解決方案的尺寸，有許多多輸出IC可供選擇。這些IC通常包括集成的MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)，同時(shí)至少要求配置有外部組件。而且，單就這些IC而言，其成本或許更為昂貴。但是，通過(guò)減少生產(chǎn)過(guò)程中必須安裝到位的外部組件數(shù)量所獲得的收益，往往會(huì)抵消前期付出的高昂成本。

采用何種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)呢?

在如圖1所示的實(shí)際應(yīng)用中，由于空間的限制，所以LDO將成為我們的首選。然而，由于功耗和效率的限制，實(shí)際情況并非總是如此。就拿5V、2A的電源軌來(lái)說(shuō)吧，顯而易見(jiàn)，需要選用一個(gè)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器。在這種情況下，一個(gè)LDO的功耗為14W，功耗顯然過(guò)高。然而，對(duì)這種電源軌而言，感應(yīng)式降壓轉(zhuǎn)換器將是最佳選擇。

接下來(lái)，我們將對(duì)電池充電器進(jìn)行分析。該電池通過(guò)5V的電源軌完成充電。我們采用的是充電電壓為4.2V的單體鋰離子電池。但是，由于實(shí)際應(yīng)用中空間的局限性，因此，線性充電器將是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。因?yàn)橹挥挟?dāng)12V電源適配器正常工作時(shí)，電池充電器才能起作用，因此，其對(duì)充電效率的考慮并不多。然而，當(dāng)所選擇的電池峰值充電電流深度放電后，電壓降至3V時(shí)，必須引起足夠的重視，并限制電池充電器的散熱。

·對(duì)于1.5V 的電源軌來(lái)說(shuō)，選用開(kāi)關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器和LDO都行得通。但是，如果選用后者，效率將維持在25%左右的范圍，而且需要100mA的輸入電流。如果替換為降壓轉(zhuǎn)換器，效率將超過(guò)90%，而且需要的輸入電流僅為30mA。另外，有許多外形非常小巧的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器解決方案，而這些解決方案能夠提供所需的輸出功率。因此，LDO電路的大小是不可估量的。為了最大程度的延長(zhǎng)電池的使用壽命，降壓轉(zhuǎn)換器當(dāng)屬理想之選。

·對(duì)于2.5V的電源軌而言，上述兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都可以發(fā)揮作用。由于需要的電流小、輸入/輸出差值較低，所以LDO堪稱最小封裝器件的上佳選擇。

·對(duì)于1.25V的電源軌而言，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器為最佳之選。由于所要求的負(fù)載高(300mA)、輸入/輸出差值大，所以LDO的功耗將非常大，而且效率極低。

·對(duì)于1.65V的電源軌而言，上述兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都行之有效。通過(guò)采用與1.5V電源軌相同的邏輯分析方法，我們得出了這樣一個(gè)結(jié)論—選用開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器。但是，之后探討的其他因素表明，應(yīng)選用LDO。

·對(duì)于圖1底部的3.3V電源軌而言，由于要求輸出電流大，因此，選用開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器當(dāng)屬上佳之選。

為實(shí)際工作需要選擇最佳的IC

考慮到組件尺寸和成本方面的局限性，所選用IC的集成度應(yīng)盡可能高。為此，所選用的全部IC都集成了MOSFET，這樣，不僅降低了解決方案的尺寸而且還降低了生產(chǎn)成本。此外，除了減少材料清單以外，由于組件數(shù)量的減少，同時(shí)也降低了安裝各電路板的成本，從而進(jìn)一步降低了整個(gè)解決方案的成本。另外，還有多輸出IC可供選擇，這種IC能更進(jìn)一步的減小我們解決方案的尺寸。

如果再次從5V的電源軌開(kāi)始分析電路的有關(guān)情況，則對(duì)于5V電源軌而言，最佳的解決方案為TPS5431。因?yàn)槠鋵捿斎敕秶?5.5V至23V)，所以能夠滿足12V±10%的輸入電壓變化。而且，當(dāng)將輸出電壓調(diào)低至1.2V時(shí)，TPS5431還能輸出高達(dá)3A的電流。由于開(kāi)關(guān)MOSFET和補(bǔ)償組件集成在一起，因此95%的效率能夠滿足電池供電的要求。該器件采用SO-8封裝，從而實(shí)現(xiàn)了非常小型的解決方案尺寸。

接下來(lái)，我們將分析電池充電器，其有數(shù)種解決方案可供選擇。例如，小尺寸電池充電器IC bq24010就是一種不錯(cuò)的選擇，其采用3×3mm QFN封裝。該解決方案的尺寸相當(dāng)小，只需三個(gè)外部組件。但是，對(duì)于我們的應(yīng)用而言，還有一款更佳的解決方案—TPS65010，該解決方案是一款針對(duì)鋰離子供電系統(tǒng)的電源和電池管理IC。由于TPS65010集成了兩個(gè)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器(VMAIN和VCORE)、兩個(gè)LDO(LDO1和 LDO2)以及一個(gè)單體鋰離子電池充電器，所以其非常適合我們的應(yīng)用要求。除了上述電源軌之外，當(dāng)12V電源適配器接通時(shí)，此時(shí)，IC無(wú)需開(kāi)關(guān)電路。在我們的應(yīng)用示例中，VMAIN為3.3V的電源軌供電、VCORE為1.25V的電源軌供電、LDO1為1.65V的電源軌供電、而LDO2為2.5V的電源軌供電。此外，使用TPS65010可以大幅縮小解決方案的尺寸并降低外部組件的數(shù)量。

最后一條1.5V電源軌可由降壓轉(zhuǎn)換器(如TPS62201)提供電源。TPS62201采用6引線SOT-23封裝，而且它只需三個(gè)外部組件(一個(gè)輸入和輸出電容器、一個(gè)電感器以及兩個(gè)反饋電阻器)。這就實(shí)現(xiàn)了解決方案尺寸的小型化。但是，為了提高效率，這種器件的輸入端應(yīng)連接至 TPS65010 器件3.3V的MAIN輸出端。

最終的解決方案

根據(jù)以前分析，我們可以找到最終的解決方案，如圖2所示。

如果不具備 I2C 接口，我們將何以應(yīng)對(duì)?

在應(yīng)用過(guò)程中如果不具備I2C接口，那么我們就無(wú)法使用TPS65010。在這種情況下，TPS75003將被派上用場(chǎng)。TPS75003包含兩個(gè)3A DC/DC降壓開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)300mA LDO。這種器件的輸出大小可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，其集成了三條電流最大的電源軌。1.25V和3.3V電源軌將由開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器供電，而由于較低的電流要求，因此1.65V的電源軌將由LDO供電。剩下的2.5V電源軌由一條小型的LDO電路輕松供電。TPS71525采用SC-70封裝，其外形尺寸極為小巧，非常適用于陶瓷輸出電容器。

一款尺寸較大而不太昂貴的解決方案就是采用TPS76925為1.65V的電源軌供電。然而，TPS76925控制電路需要在輸出端配置一只最小值的等效串聯(lián)電阻，以實(shí)現(xiàn)電路運(yùn)行的穩(wěn)定性，因此，這將可能與電路尺寸方面的限制發(fā)生沖突。

系統(tǒng)效率差異的計(jì)算

對(duì)于本次探討分析，我們事先假定所有的電壓軌自始至終都處于工作狀態(tài)，而實(shí)際工作中情況卻很少如此。通常在采用感應(yīng)式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的情況下，為了最大程度的減小解決方案的尺寸，LDO或許是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。而且，通過(guò)計(jì)算各拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的效率差異，就能夠確定該選用何種解決方案。

通過(guò)輸出端啟用的時(shí)間百分比(占空比)，我們就能夠確定每條電源軌對(duì)解決方案整體效率的影響。首先，通過(guò)累加各電源軌的有效功率，可求出輸出總有效功率：

例如，如果我們前面確定的3.3V、420mA電源軌應(yīng)由開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器供電，且其啟用時(shí)間僅占運(yùn)行時(shí)間的10%，那么采用LDO替代該轉(zhuǎn)換器，整體效率的下降幅度將不會(huì)超過(guò)0.75%。具體情況請(qǐng)參閱表1。

如果3.3V輸出端一直處于開(kāi)啟狀態(tài)，那么采用LDO替代該感應(yīng)式轉(zhuǎn)換器將使整體效率下降近4%。顯然，這是兩種極端情況，但是它們表明了占空比是如何影響整體效率的。當(dāng)輸出占空比增大時(shí)，我們必須核實(shí)解決方案尺寸與效率之間的計(jì)算比值，以確定最佳的解決方案。

結(jié)論

在許多不同的、且適用于DC/DC轉(zhuǎn)換的選項(xiàng)中選擇一款滿足自身需要的器件，將是一件棘手的工作。必須考慮到諸如可用空間、有效輸入功率、輸出功率、占空比以及成本等要求，以便于選用最佳的解決方案。首先，我們可以重要程度為標(biāo)準(zhǔn)，將上述條件進(jìn)行排序，然后根據(jù)這些條件，為各種不同輸出情況選擇最佳的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。最后，我們可以為各種不同輸出選擇最經(jīng)濟(jì)劃算的解決方案。只要遵循這些簡(jiǎn)單易行的方法，就會(huì)使電源的設(shè)計(jì)工作毫無(wú)困難可言。