便攜式應(yīng)用中的DC-DC 變換器

DC-DC的開關(guān)型電源變換器在整個電子行業(yè)中正得到越來越多的應(yīng)用。對于電路板空間和發(fā)熱管理都異常嚴格的便攜式應(yīng)用來說，經(jīng)濟高效的電源變換器將起到特別關(guān)鍵的作用。如今，在決定是采用線性低壓降(LDO)穩(wěn)壓器、電感型開關(guān)模式DC-DC變換器還是電容電荷泵DC-DC變換器來完成電源轉(zhuǎn)換方面，便攜式應(yīng)用的設(shè)計者要綜合考慮許多因素——總成本、效率、集成度、設(shè)計靈活性和封裝，并作出折衷選擇。
當今的許多便攜式應(yīng)用采用單格鋰離子電池，在各種化學(xué)成分不同的可充電電池中，它的能量密度是最高的，可以實現(xiàn)的外形最小。從充滿到放空的過程中，電池電壓一般從4.2V降到2.7V，在放電周期大部分時間中單格電池的電壓約為3.7V。不可充電的單格或雙格式堿性電池也很流行。每個電池的電壓范圍是1.5V~0.9V。在許多應(yīng)用中，需要提供種類不少的電源電壓，來滿足系統(tǒng)中各類器件的要求。處理器核常用的電源是1.1V，存儲器要用2.5V和3.3V的電源，Compact Flash或USB等擴展接口所用的電源為5V，而LCD偏壓或白光LED顯示背光電路要求28V的電源。由于折衷考慮各種因素時側(cè)重點不同，設(shè)計者們推出了多種不同的電源變換方式。圖1對各種DC-DC變換器結(jié)構(gòu)進行了一個簡要的總結(jié)。

圖1 各種電壓轉(zhuǎn)換方法的結(jié)構(gòu)

圖2  采用SOT-23封裝的電荷泵，用于驅(qū)動一個白光LED
現(xiàn)有的解決方案
LDO穩(wěn)壓器可適用于降壓變換，具體效果與I/O電壓比有關(guān)。從基本原理來說，LDO根據(jù)負載電阻的變化情況來調(diào)節(jié)自身的內(nèi)電阻，從而保證穩(wěn)壓輸出端的電壓不變。轉(zhuǎn)換效率可以簡單地看作輸出與輸入電壓之比。盡管在從3.7V電池電壓到3.3V存儲器電壓變換過程中，LDO的效率高達89％，但是在將同樣的電池輸出變換成1.1V處理器核電源時，效率只有29%。如今LDO以芯片級封裝等各種形式出現(xiàn)，所占面積僅為幾個平方毫米，而且在小型應(yīng)用時只要求一個陶瓷輸入和輸出電容即可工作。由于采用線性調(diào)節(jié)原理，LDO本質(zhì)上沒有輸出紋波，一個理想的應(yīng)用是對“強噪聲”的開關(guān)型穩(wěn)壓器輸出進行濾波，為聲頻放大器或RF電路供電。LDO的I/O電壓之間的差別擴大以及輸出電流增加時，LDO的發(fā)熱也按比例增大。功率損失可以近似由I/O電壓差乘以流過線性通路元件的電流得到。
電荷泵，也稱為開關(guān)電容式電壓變換器，是一種利用所謂的“快速”(flying)或“泵送”電容(而非電感或變壓器)來儲能的DC-DC變換器。它們能使輸入電壓升高或降低，也可以用于產(chǎn)生負電壓。其內(nèi)部的FET開關(guān)陣列以一定方式控制快速電容器的充電和放電，從而使輸入電壓以一定因數(shù)(0.5,2或3)倍增或降低，從而得到所需要的輸出電壓。這種特別的調(diào)制過程可以保證高達80％的效率，而且只需外接陶瓷電容。由于電路是開關(guān)工作的，電荷泵結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生一定的輸出紋波和EMI(電磁干擾)。一些電荷泵架構(gòu)采用了雙電荷泵形式，并增加一級輸出電壓調(diào)節(jié)，以減小EMI和紋波。電荷泵最大輸出電流只限于約300mA，主要受到集成的開關(guān)晶體管和外接“快速”電容的尺寸限制。電荷泵可以采用小外形的SOT-23或無引腳的QFN封裝，從而有助于節(jié)省電路板面積，為要求效率高于LDO器件、而空間不夠或成本預(yù)算不足以支持采用更高效的電感型DC-DC變換器應(yīng)用，提供了一種解決方案。圖2示出了一個電荷泵實例，它用于驅(qū)動一個用作顯示器背光的白光LED。
電感型開關(guān)式DC-DC 變換器利用了磁場儲能，不論是升壓、降壓還是兩者同時進行，都可以實現(xiàn)最高的電源轉(zhuǎn)換效率。盡管它與線性或電荷泵式器件相比要求更大的電路板面積，但對于要求更大電流的應(yīng)用來說卻十分理想。由于轉(zhuǎn)換效率很高，因此發(fā)熱很小，這也使得散熱處理得以簡化。特別是，與LDO器件相比時，它常常不需要附加一個占大量空間的、成本較高的散熱器。其高達97％的效率也提高了電池壽命。DC-DC 變換器也以DC-DC 控制器形式出現(xiàn)，它能夠保證設(shè)計有很大的靈活性，設(shè)計者可以選用有特定導(dǎo)通電阻的外接FET晶體管，并根據(jù)應(yīng)用的需要調(diào)整電流限。這在需要數(shù)十安培電流的非便攜式設(shè)備中非常有用。先進封裝技術(shù)也使得開關(guān)晶體管能集成到器件中，使得開關(guān)式DC-DC變換所能提供的電流范圍從SOT－23形式封裝的100mA電流到芯片級TSSOP－28形式封裝的9A。考慮到集成有FET的電感型開關(guān)模式DC-DC變換器的電流輸出能力和效率，它使用時只需外接一個電感和必不可少的輸入、輸出電容，故可以使整個解決方案的空間利用率大大提高。

圖 3  由單格堿性電池供電的升壓DC-DC變換和LDO組合模塊

圖4  單鋰離子電池應(yīng)用中的DC-DC降壓變換器
圖3中的實例表明了如何結(jié)合線性調(diào)節(jié)方法來有效利用DC-DC 變換器。該升壓DC-DC變換器可以將來自一個堿性電池的1.5V~0.9V電壓輸入提升到3.3V的系統(tǒng)電源電壓。在同一芯片中集成的LDO電路隨后把該電壓向下變換為一個1.8V的處理器核電源電壓。兩種功能模塊都集成在4mm×4mm的QFN無引腳封裝中，從而只需很小的電路板面積。
圖4示出了能量效率高而占用空間小的DC-DC 降壓變換器的如何運用的實例。反極性DC-DC變換器對來自單格鋰離子電池的2.7V~4.2V的電壓輸入進行降壓變換，為1.2V的處理器核供電，其效率高達95％。電路使用了集成有若干開關(guān)FET的同步DC-DC降壓變換器，只用了3個外接元件，所占用的電路板面積僅比一個基于類似的LDO器件的電路大30％，而效率卻是其3倍，從而能大大提高電池壽命。
在設(shè)計中考慮便攜式裝置的電源時，開發(fā)者要在系統(tǒng)整體方案的成本、電路板面積和效率之間進行折衷。LDO穩(wěn)壓器和電荷泵器件為電流輸出要求較低的應(yīng)用提供了體積小且價廉的解決方案，而DC-DC 開關(guān)型解決方案能保證高得多的電源轉(zhuǎn)換效率，如果延長電池壽命是頭等要求，則將是合理的選擇。