標簽：LDO PCB
隨著便攜產品日趨小巧輕薄，對電源管理芯片也提出更高的要求，諸如高集成度、高可靠性、低噪聲、抗干擾、低功耗等。本文探討了在便攜產品電源設計的實際應用中需要注意的各方面問題。
便攜產品的電源設計需要系統(tǒng)級思維，在開發(fā)手機、MP3、PDA、PMP、DSC等由電池供電的低功耗產品時，如果電源系統(tǒng)設計不合理，會影響到整個系統(tǒng)的架構、產品的特性組合、元件的選擇、軟件的設計以及功率分配架構等。同樣，在系統(tǒng)設計中，也要從節(jié)省電池能量的角度出發(fā)多加考慮。例如，現在便攜產品的處理器一般都設有幾種不同的工作狀態(tài)，通過一系列不同的節(jié)能模式(空閑、睡眠、深度睡眠等)可減少對電池容量的消耗。當用戶的系統(tǒng)不需要最大處理能力時，處理器就會進入電源消耗較少的低功耗模式。
從便攜式產品電源管理的發(fā)展趨勢來看，需要考慮以下幾個問題：1. 電源設計必須要從成本、性能和產品上市時間等整個系統(tǒng)設計來考慮;2. 便攜產品日趨小巧輕薄化，必需考慮電源系統(tǒng)體積小、重量輕的問題;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，延長電池壽命;4. 選用具有新技術的新型電源芯片進行方案設計，這是保證產品先進性的基本條件，也是便攜產品電源管理的永恒追求。
便攜產品常用電源管理芯片包括：低壓差穩(wěn)壓器(LDO)、非常低壓差穩(wěn)壓器(VLDO)、基于電感器儲能的DC/DC轉換器(降壓電路Buck、升壓電路Boost、降壓-升壓變換器Buck-Boost)、基于電容器儲能的電荷泵、電池充電管理芯片、鋰電池保護IC。
選用電源管理芯片時應注意：選用生產工藝成熟、品質優(yōu)秀的生產廠家產品;選用工作頻率高的芯片，以降低周邊電路的應用成本;選用封裝小的芯片，以滿足便攜產品對體積的要求;選用技術支持好的生產廠家，方便解決應用設計中的問題;選用產品資料齊全、樣品和DEMO易于申請、能大量供貨的芯片;選用性價比好的芯片。
LDO線性低壓差穩(wěn)壓器是最簡單的線性穩(wěn)壓器，由于其本身存在DC無開關電壓轉換，所以它只能把輸入電壓降為更低的電壓。它最大的缺點是在熱量管理方面，因為其轉換效率近似等于輸出電壓除以輸入電壓的值。
LDO電流主通道在其內部是由一個MOSFET加一個過流檢測電阻組成，肖特基二極管作反相保護，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)，內部還設置過流保護、過溫保護、信號放大、Power-OK、基準源等電路，實際上LDO已是一多電路集成的SoC。LDO的ESD>4KV，HBM ESD>8KV。
低壓差穩(wěn)壓器的應用象三端穩(wěn)壓一樣簡單方便，一般在輸入、輸出端各加一個濾波電容器即可。電容器的材質對濾波效果有明顯影響，一定要選用低ESR的X7R & X5R陶瓷電容器。
LDO布線設計要點是考慮如何降低PCB板上的噪音和紋波，如何走好線是一個技巧加經驗的工藝性細活，也是設計產品成功的關鍵之一。圖1說明了如何設計走線電路圖，掌握好電流回流的節(jié)點，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。
圖1：LDO布線電路方案
如果一個驅動圖像處理器的LDO輸入電源是從單節(jié)鋰電池標稱的3.6V，在電流為200mA時輸出1.8V電壓，那么轉換效率僅為50%，因此在手機中產生一些發(fā)熱點，并縮短了電池工作時間。雖然就較大的輸入與輸出電壓差而言，確實存在這些缺點，但是當電壓差較小時，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%。
當采用1.5V主電源并需要降壓至1.2V為DSP內核供電時，開關穩(wěn)壓器就沒有明顯的優(yōu)勢了。實際上，開關穩(wěn)壓器不能用來將1.5V電壓降至1.2V，因為無法完全提升MOSFET(無論是在片內還是在片外)。LDO穩(wěn)壓器也無法完成這個任務，因為其壓差通常高于300mV。
理想的解決方案是采用一個VLDO穩(wěn)壓器，輸入電壓范圍接近1V，其壓差低于300mV，內部基準接近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，轉換效率為80%。因為在這一電壓上的功率級通常為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作為一個降壓型開關穩(wěn)壓器的后穩(wěn)壓器就可容易地確保低紋波。
開關式DC/DC升降壓穩(wěn)壓器
開關式DC/DC升降壓穩(wěn)壓器按其功能分成Buck開關式DC/DC降壓穩(wěn)壓器、Boost開關式DC/DC升壓穩(wěn)壓器和根據鋰電池的電壓從4.2V降低到2.5V能自動切換降升壓功能的Buck-Boost開關式DC/DC升降壓穩(wěn)壓器。當輸入與輸出的電壓差較高時，開關穩(wěn)壓器避開了所有線性穩(wěn)壓器的效率問題。它通過使用低電阻開關和磁存儲單元實現了高達96%的效率，因此極大地降低了轉換過程中的功率損失。
Buck開關式DC/DC降壓穩(wěn)壓器是一種采用恒定頻率、電流模式降壓架構，內置主(P溝道MOSFET)和同步(N溝道MOSFET)開關。PWM控制的振蕩器頻率決定了它的工作效率和使用成本。選用開關頻率高的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2MHz的高開關頻率。開關穩(wěn)壓器的缺點較小，通?？梢杂煤玫脑O計技術來克服。但是電感器的頻率外泄干擾較難避免，設計應用時對其EMI輻射需要考慮。
圖2給出了Buck開關式DC/DC應用線路設計，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品質優(yōu)良、低ESR的X7R & X5R陶瓷電容器;在應用環(huán)境溫度高，或低供電電壓和高占空比條件下(如降壓)工作，要考慮器件的降溫和散熱。必須注意：SW vs. L1距離<4mm;Cout vs. L1距離<4mm;SW、Vin、Vout、GND的線必須粗短。
要得到一個運作穩(wěn)定和低噪音的高頻開關穩(wěn)壓器，需要小心安排PCB板的布局結構，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3所示。1. 保持通路在Vin、Vout之間，Cin、Cout接地很短，以降低噪音和干擾;2. R1、R2和CF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的負端。 [!--empirenews.page--]
圖2：Buck開關式DC/DC應用線路設計
DC/DC應用舉例：1. APS1006為MCU/DSP核(Core)供電;2. APS1006應用于電子礦燈(圖3);3. APS1046應用于0.8-1.8"微硬盤供電(圖4);4. APS1006、APS4070應用于智能手機(圖5)。
圖3：APS1006應用于電子礦燈
圖4：APS1046應用于0.8-1.8"微硬盤供電
圖5：APS1006、APS4070在智能手機上的應用
電荷泵及其應用技巧
電容式電荷泵通過開關陣列和振蕩器、邏輯電路、比較控制器實現電壓提升，采用電容器來貯存能量。電荷泵是無須電感的，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。其損耗主要來自電容器的等效串聯(lián)電阻(ESR)和內部開關晶體管的RDS(ON)。
電荷泵轉換器不使用電感，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時精密予置的,調整能力是通過后端片上線性調整器實現的，因此電荷泵在設計時可按需要增加電荷泵的開關級數，以便為后端調整器提供足夠的活動空間。電荷泵十分適用于便攜式應用產品的設計。從電容式電荷泵內部結構來看，它實際上是一個片上系統(tǒng)。
電荷泵是一種無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能器件。在設計應用時需要注意電容器的容量和材質對輸出紋波的影響。外部電容器的容量關系到輸出紋波，在固定的工作頻率下，太小的電容容量，將使輸出紋波增大。輸出紋波大小與電容器材料介質有關，外部電容器的材料類型關系到輸出紋波。同一電荷泵，使用相同的容量和尺寸而不同材料類型的電容器，輸出紋波的結果。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，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。
LCD Module(LCM)是目前CP、MP3/MP4、PMP需求量較大的產品，在有限的PCB面積上，需要按裝LCD屏、數碼相機的鏡頭和閃光燈、音頻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，而手機產品又要求這些電源IC對RF幾乎無干擾。
電池充電管理芯片和鋰電池保護IC
鋰電池充電IC是一個片上系統(tǒng)(SoC)，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、溫度感測比較器、環(huán)路選擇和多工驅動器、充電狀態(tài)邏輯控制器、狀態(tài)發(fā)生器、多工器、LED信號發(fā)生器、MOSFET、基準電壓、電源開機復位、欠電壓鎖定、過流/短路保護等十多個不同功能的IC整合在一個晶元上。它是一個高度集成、智能化芯片。鋰電智能充電過程：涓流充-->恒流充-->恒壓充-->電壓檢測，因此電路設計的關鍵是要做到：充分保護、充分充電、自動監(jiān)測、自動控制。
鋰電池保護電路是封裝在鋰電池包內的，它由一顆鋰電池保護IC和二顆MOSFET組成。在圖6中，OD代表過放電控制;OC代表過充電控制;P+、P-接充電器;B+、B-接鋰電池。鋰電池保護電路簡單工作原理如下：正常裝態(tài)M1、M2均導通;過充電時M2 OC腳由高電位轉至低電位，電閘關閉，截止充電，實現過充電保護;充電電流方向P+-->P-;過放電時M1 OD腳由高電位轉至低電位，電閘關閉，截止充放電，實現過放電保護;放電電流方向P- -->P+。
圖6：鋰電池保護電路
鋰電池保護電路的PCB板是很小的，設計時必須注意：1. MOSFET盡可能接近B-、P-;2. ESD防護電容器盡可能接近P+、P-;3. 相鄰線間距>0.25mm，通過電流大的線要放寬，地線加寬。
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