|
在電子領域，DC/DC 開關模式電源轉換器的使用正與日俱增。便攜式應用中的主要問題是板級空間及熱管理，因此高效的低成本電源轉換對其而言極為關鍵。當前，便攜式應用的設計人員在決定選擇是以線性低壓降穩壓器 (LDO)、感應開關模式 DC/DC 轉換器，還是電容性充電泵 DC/DC 轉換器來滿足其電源轉換需求時，面臨著在總體成本、效率、集成度、設計靈活性以及封裝等諸多方面進行權衡的問題。 圖 1、電源轉換拓撲比較。 1 電源轉換的需求 當前，許多便攜式應用均采用單體鋰離子電池，其擁有所有可再充電電池所具備的最高能量密度化學特性，從而可實現最佳的小外型設計。電池電壓通常滿至空 (full to empty) 介于 4.2V 到 2.7V 之間（從），電池電壓在大部分放電周期中約為 3.7V。該技術應用范圍相當廣泛，在非可再充電的單或雙體堿性電池系統中也倍受青睞。獨立的單電池電壓介于 1.5V 至 0.9V。許多應用均要求多個電壓軌支持系統中的各種組件。常見電壓軌有：用于處理器內核的 1.1V 電壓，存儲器的 2.5V 與 3.3V，擴展接口（如 Compact Flash 或 USB 接口）的 5V，以及用于 LCD 偏壓或白色 LED 顯示背光電路系統的 28V。因各種因素需做出的權衡而異，我們在此可以提供幾套電源轉換選擇方案。圖 1 顯示了各種 DC/DC 轉換架構的概覽。 2 現有解決方案 根據輸入輸出電壓比，LDO（低壓降）穩壓器也適用于降壓應用。總之，LDO 可根據出現的任何負載電阻更改而相應調整其內部電阻，使穩壓器輸出恒定的電壓。簡言之，轉換效率是由輸出電壓與輸入電壓之比決定的。LDO 以 3.7V 的電壓可以生成 3.3V 的存儲器軌，從而實現了高達 89% 的卓越效率。不過同樣的電池軌生成 1.1V 的核心電壓時，效率便陡然降至 29%。目前，LDO 采用諸如芯片級等的超小型封裝，大小僅為幾平方毫米，能夠實現操作只需陶瓷輸入和輸出電容器的解決方案。由于 LDO 的線性穩壓解決方案，其幾乎不存在輸出紋波，因此非常適用于"噪音型"開關模式穩壓器輸出的后過濾，能夠支持音頻放大器或 RF 電路系統。LDO 隨著輸入輸出電壓差動的提高與電流輸出的加大，也會產生適度的熱量。功率損耗約等于輸入輸出電壓差乘以通過線性調整元件的電流的乘積。 充電泵（也稱開關式電容電壓轉換器）即 DC/DC 轉換器，其采用一種所謂"飛 (flying)"或"泵 (pump)"的電容器，而非感應器或變壓器來用于能量存儲。其不僅可升高或降低輸入電壓，而且還可用于產生負電壓。內部 FET 開關陣列控制著"飛"電容器的充電與放電，根據其控制方式，輸入電壓乘以或除以 0.5、2 或 3 等因數，即可產生所需的輸出電壓。特定的調制方案僅要求陶瓷電容器就可實現高達 80% 的效率。由于涉及到開關，因而充電泵會產生某些輸出紋波，也會生成 EMI（電磁干擾）。某些充電泵拓撲可部署雙充電泵架構，并采用額外的輸出電壓穩壓器，以最大程度地減少 EMI 與紋波。充電泵的最大輸出電流限制在約 300mA 左右，基本由集成開關晶體管與外部"飛"電容器的大小所決定。充電泵采用節約空間的 SOT-23 封裝或無引線四方扁平封裝 (QFN)，能極大節省板級空間，并要求較 LDO 具備更高效率但空間或預算又不足以實施更高效的感應式 DC/DC 轉換器的情況下，提供解決方案。圖 2 展示了顯示背光應用中為白色 LED 提供核心電源的充電泵應用實例。 圖 2 在 SOT－23 封裝中為白色 LED 提供核心電源的充電泵。 利用電磁技術進行能量存儲的感應開關模式 DC/DC 轉換器提供了難以企及的電源轉換效率，不管是升高電壓還是降低電壓的情況下均如此。盡管它較線性解決方案或充電泵解決方案相比會要求更大的板級空間，但這種電源轉換方案非常適用于較高電流的應用。高效率轉換能夠實現最低散熱，并簡化了熱管理，特別是與 LDO 解決方案相比時尤為如此，從而通常避免了采用額外的、笨重而價格不菲的散熱片的必要。由于能夠實現高達 97% 的轉換效率，因此這也有利于延長電池壽命。DC/DC 轉換器可作為 DC/DC 控制器，當設計人員選擇具備特定導通電阻的外部 FET 開關，并根據應用當前需求調節電流限制時，其可為設計人員提供最大的靈活性。同時，在要求數十安培電流的非便攜式設備中，它尤為有用。先進封裝技術也允許開關晶體管的集成，從而使開關模式 DC/DC 解決方案的輸出電流介于 SOT-23 封裝或芯片級封裝的 100mA 與 TSSOP-28 封裝的 9A 之間的任何數值。 考慮到具備集成 FET 的感應開關模式 DC/DC 轉換器的輸出電流功能與效率，我們常常可以實現顯著提高空間利用效率的解決方案，往往只需一個感應器和必需的輸入輸出電容器即可。 圖 3 顯示了高效利用 DC/DC 轉換與線性調節的示例。升壓 DC/DC 轉換器可提升堿性電池的輸入電壓，范圍為 1.5V 至 0.9V 之間，從而能支持 3.3V 的系統軌。集成到相同 IC 上的 LDO 可降壓，以支持 1.8V 的處理器核心電壓。上述兩種功能都集成在 4mm x 4mm 的無引線四方扁平封裝 (QFN) 中，從而能最大程度地減少板級空間要求。 圖 3、升壓 DC/DC 轉換器與由單體堿性電池供電的 LDO。 圖 4 給出了利用高能量效率并節省空間的 DC/DC 降壓轉換示例。降壓 DC/DC 轉換器可用于降低單體鋰離子電池的輸入電壓，輸入電壓范圍介于 2.7V 至 4.2V 之間，可支持 1.2V 處理器核心，效率高達 95%。該電路采用具備集成開關 FET 的同步 DC/DC 降壓轉換器，僅采用三個外部組件，其空間占用僅比同類競爭 LDO 電路大于 30% 左右，但卻能提供將近高出三倍的效率，并能顯著延長電池壽命。 圖 4、單體鋰離子應用中的壓降 DC/DC 轉換器 |
