便攜產(chǎn)品電源芯片關(guān)鍵應(yīng)用與選擇

*LDO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1（a）所示）

從圖1（a）中所知，LOO的內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由作為電流主通道的MOSFET、作反向保護(hù)的肖特基二極曾、作輸出電流大小檢測(cè)的敏感電阻，過(guò)壓/過(guò)熱保護(hù)電路，輸出電壓取樣反饋電路、比較放大器、基準(zhǔn)電源、使能電路等幾部分構(gòu)成，新的LDO還包括開(kāi)機(jī)系統(tǒng)自檢的Power OK。

LOO的內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由作為電流主通道的MOSFET、作反向保護(hù)的肖特基二極曾、作輸出電流大小檢測(cè)的敏感電阻，過(guò)壓/過(guò)熱保護(hù)電路，輸出電壓取樣反饋電路、比較放大器、基準(zhǔn)電源、使能電路等幾部分構(gòu)成，新的LDO還包括開(kāi)機(jī)系統(tǒng)自檢的Power OK。

壓差、嗓音、共模抑止比、靜態(tài)電流是LDO的四大關(guān)鍵數(shù)據(jù)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)員按產(chǎn)品負(fù)載對(duì)電性能的要求結(jié)合四大要素來(lái)選擇LDO。

　　*超低壓差穩(wěn)壓器（VLDO）

超低壓差穩(wěn)壓器（VLDO），輸入電壓范圍接近lV，其壓差低于100mV，甚至30mV，內(nèi)部基準(zhǔn)接近0.5V。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。

很明顯，VLDO適用于要求低輸入電壓、低輸出電壓和低電壓差的應(yīng)用環(huán)境。由于便攜式無(wú)線設(shè)備通常都是由電池供電，因此VLDO也應(yīng)當(dāng)可以保護(hù)自己，避免遭受反向輸入和反向輸出電壓的損害。最后，VLDO應(yīng)當(dāng)也能夠與低等價(jià)串聯(lián)阻抗值（ESR）的電容器協(xié)同操作，并且擁有良好的電源調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，擁有快速瞬時(shí)響應(yīng)能力。

VLDO）例舉見(jiàn)圖1（b）所示，輸入電壓最低的LDO，直接由下1.5Vin供電，可提供下1A、2A和4A電流，無(wú)需偏置電源，取代用于1.5V輸出的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。

這些器件不需要單獨(dú)的柵極偏置，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。這些線性穩(wěn)壓器可分別從1.5V或1.8V輸入產(chǎn)生高效的1.2V或1.5V電源。因此可替代服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)和電信設(shè)計(jì)中價(jià)格昂貴、體積龐大的降壓型開(kāi)關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)80%的效率。Power-OK（POK）上電復(fù)位（POR）。

盡管VLDO設(shè)計(jì)可以適應(yīng)較寬范圍電容值的輸出電容器，但考慮到尺寸和造價(jià)，也應(yīng)當(dāng)面向低ESR值的陶瓷電容器進(jìn)行優(yōu)化。但是，輸出電容器的ESR 值影響穩(wěn)定性，尤其是電容值較小的電容器。因此，確保正確的電容值和ESR值十分重要。對(duì)于更為復(fù)雜的情況，在低壓設(shè)備內(nèi)，如VLDO，輸出負(fù)載瞬時(shí)響應(yīng)是輸出電容值的函數(shù)。較大的輸出電容值可以降低峰值偏差，當(dāng)負(fù)載電流變化較大時(shí)可以提供改進(jìn)的瞬時(shí)響應(yīng)特性。

*開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的選擇

考慮到功率轉(zhuǎn)化過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，工業(yè)界現(xiàn)在開(kāi)始重新審視如何選擇穩(wěn)壓器了。由于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器擁有較高的效率，制造商已經(jīng)采用了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，以替代較為簡(jiǎn)單的線性低壓差電壓穩(wěn)壓器。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器克服廠輸入電壓和輸出電壓差別較大時(shí)線性穩(wěn)壓器效率太低的缺點(diǎn)。采用低阻值開(kāi)關(guān)和磁存儲(chǔ)元件，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的效率可高達(dá)96%，因此極大地降低了轉(zhuǎn)化過(guò)程中的功率損失。當(dāng)開(kāi)關(guān)操作頻率較高時(shí)，如大于2MHz，外部感應(yīng)器和電容器的尺寸可以大幅度地減小。當(dāng)主功率軌為3.3V時(shí)，采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器具有意義。但當(dāng)采用1.5V主源并需要降壓至1.2V為DSP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）。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)很少，并且經(jīng)?？梢酝ㄟ^(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)克服。

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　　*LDO的應(yīng)用與選擇

圖1（c）所示為L(zhǎng)DO的多種應(yīng)用，它可以是標(biāo)準(zhǔn)電源、電池管理應(yīng)用、開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換后調(diào)節(jié)器及多輸出配置等。

LDO的應(yīng)用例舉（見(jiàn)圖1（d） ）所示。更細(xì)小的雙路低壓差線性穩(wěn)壓器MAX8530（見(jiàn)圖1（d） ）所示，可安裝于下1.8mm×1.8mm，為超晶片級(jí)封裝（UCSP）為蜂窩電話、PDA和數(shù)碼相機(jī)節(jié)省80%空間，100mV低壓差（于 100mA），200mA單輸出。因到2005年底時(shí)，CM0S LenS（透鏡）的像素提高到5M-10M以上，因而中高檔的DSC方案紛紛采用，CMOS Lens需要有三組不同電壓的電源，如1.8V和2.8V，電流在100mA-150mA，所以用雙MAX8530LDO是比較適宜（見(jiàn)圖1（e） ）。

需要說(shuō)明的是，由于供電電源一般情況下往往是鋰離子電池，因此在輸出電壓低于3.3V時(shí)降壓轉(zhuǎn)換器可以提供更高的效率。但是，對(duì)于某些電源電壓而言，使用LDO更為合理。用于在處理器中產(chǎn)生內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)的鎖相環(huán)（PLL）對(duì)任何噪聲都很敏感。因此，需要采用LDO為處理器的該部分供電。由于該區(qū)塊的電流一般為5mA-30mA，因此對(duì)整體效率的影響較小。實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）的供電也同樣如此。如果用接近于輸出電壓的電壓為L(zhǎng)DO供電，則LDO就是一種名副其實(shí)的簡(jiǎn)單、低成本、高效率解決方案。在采用 1.8V I/O電壓的應(yīng)用中，可以通過(guò)該電壓軌為PLL-LDO供電，從而使其輸出電壓達(dá)到1.3V，效率達(dá)到72%。

3、DC/DC特征與應(yīng)用

3.1 DC/DC特征

*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，通常可以用好的設(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)時(shí)對(duì)其EMI幅射需要考慮。

3.2 DC/DC（Buck）應(yīng)用電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用Layout的設(shè)計(jì)技巧

圖2（a）為DC/DC（Buck）應(yīng)用電路設(shè)計(jì)方案，圖中粗線是大電流的通道，應(yīng)選用MuRata，Tayo-yuden，Tdk&AVX品質(zhì)優(yōu)良、低ESR’X7R&X5R陶瓷電容器。

DC/DC（Buck）應(yīng)用Layout的設(shè)計(jì)技巧-PCS扳沒(méi)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按功能分成幾塊，如圖所示：保持通路在Vin、Vout之間，Cin、Cout接地很短：以降低噪音和擾；R1、R2和CF的反饋成份必須保持靠VFB反饋腳；大面積直接聯(lián)接 2腳和Cin、Cout負(fù)端。

圖2（b）為應(yīng)用于MCU/DSP內(nèi)核供電示意圖

 

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3.3 DC/DC（Boost）特征與應(yīng)用

Boost DC/DC特點(diǎn)為微功耗、高效率，升壓DC/DC。

*L1必須輸出足夠載荷的電流，為輸出端供電，為輸出電容器充電；

*L1電感量不能太低，以至使得電流超過(guò)電流極限值，如超過(guò)了額定電流值，電感器將飽和，電感量會(huì)迅速下降，電流增大；

*C1是一個(gè)大水庫(kù)，當(dāng)電感器充電時(shí)，它提供所有的輸出電流；

*C1必需選用低ESR的電容器。

圖2（c）為Boost DC/DC應(yīng)用設(shè)計(jì)示意圖

3.3 選用自動(dòng)升降壓（Buck-Boost）DC/DC穩(wěn)壓器前景看好

“升-降壓”（Buck-Boost）DC/DC穩(wěn)壓器件在許多電池供電的應(yīng)用產(chǎn)品都需要采用這種穩(wěn)壓器，因?yàn)殇囯x子電池供電的系統(tǒng)具有 VBATTV電壓特性，也由于應(yīng)用所采用的許多IP塊都是3.3V的內(nèi)核邏輯器件。當(dāng)Vin大于降壓模式（Vout）時(shí)，“升-降壓”調(diào)節(jié)器作為降壓線性穩(wěn)壓器發(fā)揮作用，不過(guò)當(dāng)Vin下降至低于某一給定閾值時(shí)，又會(huì)過(guò)渡成為升壓穩(wěn)壓器。Buck-BoostDC/DC可延電池壽命15-20%。

DC/DC（Boost）應(yīng)用：無(wú)線鍵盤(pán)和鼠標(biāo)、MP3、PDA、DSC、lcd屏、便攜式儀器儀表。

4、Charge Pump（電荷泵） 鮚構(gòu)特征與選用

4.1 Charge PUmp鮚構(gòu)特征

電荷泵的內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：由—開(kāi)關(guān)電路按設(shè)定頻率高速開(kāi)關(guān)、一個(gè)控制器、一個(gè)誤差放大器、一個(gè)基準(zhǔn)源，一個(gè)取樣反饋電路組成。圖3（a）為Charge PUmp鮚構(gòu)示意圖

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（1μlF），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Ros（on）。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)，以使為后端調(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，它際上是一個(gè)片上系統(tǒng)。

 

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4.2 Charge Pump應(yīng)用例舉-用于相機(jī)閃光燈的穩(wěn)壓電荷泵（見(jiàn)圖3（b））

MAXl570采用微小的4mmx4mmTQFN封裝，結(jié)合了高效率的l—1.5倍電荷泵和200mV的低壓差穩(wěn)流器，無(wú)須電感或鎮(zhèn)流電阻。該轉(zhuǎn)換器自動(dòng)在1倍和1.5倍的電荷泵模式之間切換，以盡可能延長(zhǎng)設(shè)備的電池壽命，如蜂窩電話、PDA和數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備。在多達(dá)93%的電池使用容量范圍內(nèi)，其 1倍電荷泵模式將白光LED的驅(qū)動(dòng)效率提高了50%。LED電流可以采用數(shù)字或PWM信號(hào)進(jìn)行控制。MAXl570具有電流匹配特性，還具有限制浪涌電流的軟起動(dòng)，以及關(guān)斷模式下輸人和輸出完全斷開(kāi)，消除了電池漏電等特性。

4.3 Charge Pump選用

線性穩(wěn)壓器和傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的最佳折衷是充電泵。充電泵的外部存儲(chǔ)元件是電容器，而非感應(yīng)器。不采用感應(yīng)器，就可以避免任何可能的電磁干擾；而電磁干擾將影響較為靈敏的射頻接收機(jī)或者藍(lán)牙芯片組的正常工作。但是，充電泵的潛在缺點(diǎn)是有限的輸入輸出電壓比率和有限的輸出電流驅(qū)動(dòng)能力。

典型的電荷泵無(wú)需電感器，最少外部器件， 高效率，低成本。

5、便攜產(chǎn)電源電路的電容器功能

Cin濾去來(lái)自電源的噪音；Cout降低輸出紋波和噪音，同時(shí)它能在電容器充電時(shí)提供所有的輸出電流，因此輸出電容器的容量要求足夠大，猶如一水庫(kù)；CBy旁路電容器通常加在考源的輸出端，可使總噪音降低5-10倍，這個(gè)節(jié)點(diǎn)的阻抗比較高，必須使用低泄漏的電容器，以免其負(fù)載將參考電壓拉低； CF反饋電容器提供一個(gè)超前的正相移（fzf）抵消回路中由極點(diǎn)產(chǎn)生的某此滯后負(fù)相移（fpf），CF介入同時(shí)形成一個(gè)極點(diǎn)（tpf），一個(gè)零點(diǎn)。

*為何陶瓷電容器的選擇是首選

陶瓷電容器通常是便攜電子產(chǎn)品電路設(shè)計(jì)首選，因?yàn)樗鼈儍r(jià)格低而且故障模式是斷路，相比之下鉭電容器比較昂貴且其故障模式是短路，有著火風(fēng)險(xiǎn)；輸出電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）會(huì)影響其穩(wěn)定性，陶瓷電容器具有較低的ESR，大概為幾毫歐量級(jí)，受到負(fù)載瞬變沖擊幾乎沒(méi)有ESR“階躍”電壓，而鉭電容器ESR在100毫歐量級(jí)；陶瓷電容器無(wú)極性、體積??； 另外，許多鉭電容器的ESR隨溫度變化很大，會(huì)對(duì)LDO Dc～DC性能產(chǎn)生不利影響。

6、結(jié)束語(yǔ)

如何應(yīng)用與選擇好便攜產(chǎn)品的電源芯片有些是有些技巧，而要選擇好線性穩(wěn)壓器或者開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器也非太容易。需要考慮到諸多因素，如噪聲的制約、空間的約束、轉(zhuǎn)換的效率（直接影響電池壽命），還有對(duì)發(fā)熱問(wèn)題的考慮。幸好當(dāng)今市場(chǎng)上有多種不同類型的穩(wěn)壓器可供選擇，而要做的是根據(jù)具體設(shè)計(jì)系統(tǒng)品的要求與條件來(lái)決定。

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作者：tee