選擇適合電源應(yīng)用的IC

1 引言

選擇適合電源應(yīng)用的集成電路(IC)看似很容易。然而隨著多個(gè)電壓軌的新型消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品的推出，這一任務(wù)就變得復(fù)雜。在選擇適合工作的IC時(shí)，必須要權(quán)衡解決方案的成本、尺寸、電源、占空比以及輸出功率等諸多因素。在選取電源應(yīng)用集成電路時(shí)應(yīng)按產(chǎn)品要求功能的重要性依次對(duì)這些因素排序。

2 最佳電源應(yīng)用解決方案

圖1為最佳電源應(yīng)用解決方案。該方案采用便攜式電源，要求盡可能低的功耗和較小尺寸，單節(jié)Li+電池(由12 V電源不間斷充電)供電。希望解決方案的成本降至最低，但降低成本是以犧牲空間為代價(jià)，首先應(yīng)滿足空間要求，其次是效率，盡可能延長(zhǎng)電池壽命。

3 選擇最佳拓?fù)?/p>

首先檢測(cè)每個(gè)電源軌的電源要求，確定采用何種類(lèi)型DC-DC轉(zhuǎn)換器(即感應(yīng)開(kāi)關(guān)、線性穩(wěn)壓器或電荷泵)。

感應(yīng)開(kāi)關(guān)通常是高效應(yīng)用的最佳選擇。感應(yīng)開(kāi)關(guān)電路是由開(kāi)關(guān)元件、整流器、電感、輸入和輸出電容組成。應(yīng)選擇內(nèi)置開(kāi)關(guān)元件和整流器的IC來(lái)降低尺寸。這些電路的效率取決于負(fù)載，其值通常為80％～96％?？紤]到電感尺寸的問(wèn)題，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器通常需要更大空間，且成本也較昂貴。由于存在電感，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器會(huì)產(chǎn)生電磁干擾(EMI)輻射，因此，輸出端將產(chǎn)生開(kāi)關(guān)噪聲。

低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)通過(guò)減少旁路器件兩端的輸入電壓來(lái)降低直流電壓。該拓?fù)鋬H需3個(gè)器件(旁路器件和輸人／輸出電容器)。通常LDO比較便宜，噪聲比感應(yīng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)小得多。由于該器件輸人電流等于負(fù)載電流，因此該解決方案效率等于輸出一輸入電壓比值。但當(dāng)輸入一輸出電壓比值較高時(shí)效率較低。所有功耗都在于旁路器件，這意味著LDO不是輸入-輸出壓差較大的大電流應(yīng)用的理想解決方案。大功率應(yīng)用需散熱裝置，這樣就增大了尺寸。

電荷泵采用“飛”電容作為儲(chǔ)能元件，實(shí)現(xiàn)升壓／降壓或直流電壓反向，并采用內(nèi)部開(kāi)關(guān)連接電容器以進(jìn)行所需的DC-DC轉(zhuǎn)換。電荷泵通常要比感應(yīng)開(kāi)關(guān)成本低，且不產(chǎn)生電磁于擾，但輸出紋波通常大于感應(yīng)開(kāi)關(guān)。電荷泵的輸出功率是有限的，瞬態(tài)響應(yīng)受到“飛”電容充電速率限制。此外，在輸入電壓接近輸出電壓的應(yīng)用中，其效率通常極低。

為了進(jìn)一步減小解決方案尺寸，有多種多電源輸出器件可供選擇。這些器件通常內(nèi)置MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)，且所需最少的外部元件。這些器件可能較昂貴，在實(shí)際應(yīng)用中減少了所必須的外部元件，這樣就能抵消IC的高成本問(wèn)題。

4 采用何種拓?fù)?/p>

考慮到應(yīng)用的空間限制，LDO是最佳選擇。然而，由于功耗和效率的制約，實(shí)際上LDO并非總是最佳選擇。對(duì)于5 V、2 A的電源軌而言，需選用一個(gè)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器，在這種情況下，LDO的功耗極大(14 W)。因此，對(duì)于這種情況，感應(yīng)式降壓轉(zhuǎn)換器則是最佳的選擇。接下來(lái)研究電池充電器。電池山5 V電源充電。實(shí)際應(yīng)用中采用充電電壓為4.2 V的單節(jié)Li+電池?？紤]到應(yīng)用中的空間限制，首選線性充電器。這樣就忽略了對(duì)充電效率的關(guān)注，兇為只有當(dāng)12 V電源適配器正常工作時(shí)，電池充電器才起作用。但是，當(dāng)所選擇的電池峰值充電電流深度放電后，電壓降至3 V，就必須要關(guān)注，而且要限制電池充電器的散熱。

對(duì)于1.50 V的電源來(lái)說(shuō)，可選擇開(kāi)關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器或LDO。選擇LDO時(shí)，效率將在25％以?xún)?nèi)，并要求100 mA的輸入電流。而選用開(kāi)關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器，效率超過(guò)90％，需要30 mA輸入電流。許多采用超小型的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的解決方案可提供所需的輸出功率而且尺寸不可能超過(guò)LDO電路。為了最大限度延長(zhǎng)電池壽命，因此，選擇降壓轉(zhuǎn)換器更為合適。而對(duì)于2.5 V電源，這兩種拓?fù)涠寄軇偃?。LDO具有低電流需求和低輸人／輸出壓差，是小尺寸應(yīng)用的最佳選擇。對(duì)于1.25 V電源，開(kāi)關(guān)式轉(zhuǎn)換器是最佳選擇。LDO要求較大的負(fù)載電流(300 mA)和較大的輸入／輸出壓差，因此功耗過(guò)大且效率不高。對(duì)于1.65 V電源．兩種拓?fù)涠寄軡M足要求。采用基于1.50 V電源的邏輯分析方法，選用開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器，但是，根據(jù)下面討論的其他岡素表明應(yīng)選用LDO。對(duì)于3.3 V電源，由于要求大輸出電流，因此開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器是最佳選擇。

5 為實(shí)際工作需要選擇最適合的IC

考慮到其尺寸和成本限制，應(yīng)選擇高集成IC。因此，所選用IC都內(nèi)置MOSFET。這樣就可減小尺寸，降低成本。除節(jié)省材料成本外，還減少了元件數(shù)量，降低了印制板組裝成本。此外，還可采用多輸出IC進(jìn)一步減少解決方案尺寸。[!--empirenews.page--]

若再次從5 V電源軌分析電路，對(duì)于5 V電源軌，TPS5431是最佳解決方案。TPS5431具有的寬輸入電壓(5.5～23 V)可支持12 V+10％的輸入，輸出電流高達(dá)3 A，低至1.2 V的可調(diào)輸出電壓。TPS5431集成有開(kāi)關(guān)的MOSFET和補(bǔ)償元件，效率達(dá)95％，符合電池電源需求。該器件采用SO-8封裝，可實(shí)現(xiàn)超小型解決方案。

分析電池充電器，有多種方案可供選擇。具有3 mm QFN封裝的小型電池充電器IC bq24010是最佳選擇。由該充電器構(gòu)成的解決方案尺寸小，僅需3個(gè)外部元件，但在具體的應(yīng)用中還可采TPS65010型Li+電池供電系統(tǒng)的電源和電池管理器件。TPS65010集成有2個(gè)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器(VMAIN和VCORE)，2個(gè)LDO(LDO1和LDO2)和單節(jié)Li+電池充電器。而且TPS65010無(wú)需連接12 V電源適配器開(kāi)關(guān)電路。應(yīng)用中，VMAIN提供3.3 V電源，VCORE提供1.25 V電源，LDO1提供1.65 V電源，LDO2提供2.5 V電源。采用TPS65010可大大減小解決方案尺寸以及外部元件數(shù)。1.50 V電源可由降壓開(kāi)關(guān)，如TPS62201提供。該器件采用5引腳SOT-23封裝，僅需3個(gè)外部元件(輸入／輸出電容、電感及2只反饋電阻)。采用TPS62201可構(gòu)建超小尺寸的解決方案。為了提高效率，TPS62201輸入應(yīng)接TPS65010的3.3 V MAIN輸出。

6 最終的解決方案

基于以上討論，最終電源解決方案如圖2所示。

7 無(wú)I2C接口

如果應(yīng)用中無(wú)I2C接口，則無(wú)法使用TPS65010。這種情況下可采用TPS75003。TPS75003內(nèi)置2個(gè)3 A開(kāi)關(guān)式DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器和1個(gè)300 mA LDO。該器件的輸出電壓可根據(jù)需要調(diào)節(jié)，集成有3條電流的最大電源軌。開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器提供1.25 V和3.3 V電源。LDO要求電流較低，提供1.65 V電源。2.5 V電源則由小型LDO電路提供。由于TPS71525采用SC-70封裝，需陶瓷輸出電容才能穩(wěn)定工作，實(shí)現(xiàn)超小型解決方案。采用TPS76925的大尺寸、低成本解決方案可提供1.65 V電源。TPS76925控制電路要求輸出端的等效串聯(lián)電阻最低可確保穩(wěn)定，這可能與電路尺寸限制出現(xiàn)沖突。

8 系統(tǒng)效率差異計(jì)算

假設(shè)所有電壓軌始終處于工作狀態(tài)，而實(shí)際情況卻很少如此。在采用感應(yīng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)應(yīng)用場(chǎng)合，為盡量減小解決方案尺寸，可選擇LDO。通過(guò)計(jì)算每種拓?fù)湫实牟町愖罱K確定采用哪種拓?fù)?。利用輸出占空比判斷各個(gè)電壓對(duì)解決方案效率的影響。首先，將每個(gè)電源的有效功率相加，計(jì)算有效的總

例如，如果確定3.3 V、420 mA電源軌由開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器提供，且占空比僅為10％，則用LDO替代開(kāi)關(guān)式轉(zhuǎn)換器時(shí)，總效率下降幅度將不會(huì)超過(guò)0.75％。如果3.3 V輸出一直處于開(kāi)啟狀態(tài)，則采用LDO替代感應(yīng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)會(huì)使總效率降低近4％。這顯然是兩種極端情況，但說(shuō)明占空比影響總效率。當(dāng)輸出占空比增加時(shí)，須研究解決方案尺寸與效率的變化關(guān)系，以確定最佳方案。

9 結(jié)論

在許多不同的DC-DC轉(zhuǎn)換方案之間，選擇最佳的解決方案是一項(xiàng)棘手的工作。必須反復(fù)權(quán)衡占用空間、輸入功率、輸出功率、占空比和成本等因素，以確定最佳解決方案。首先可按功能的重要性對(duì)各因素排序，然后基于這些要求選擇適合每個(gè)輸出的拓?fù)洹Ｗ詈筢槍?duì)各輸出選擇高性?xún)r(jià)比的解決方案。在電源設(shè)計(jì)時(shí)，請(qǐng)遵照文中給出的簡(jiǎn)單步驟，將有助于降低電源設(shè)計(jì)難度。