如何實(shí)現(xiàn)更精巧的電源解決方案

本文詳述電源電路的最新發(fā)展?fàn)顩r。文中還將介紹數(shù)款器件，說(shuō)明電路架構(gòu)與封裝技術(shù)的進(jìn)步如何促成體積更小的電源解決方案。

把不同功能集成到同一芯片是PDA、便攜式導(dǎo)航系統(tǒng) (GPS) 和智能型手機(jī)等便攜式產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)。就在幾年前，應(yīng)用產(chǎn)品的每一組電源都需要單獨(dú)的電源轉(zhuǎn)換器，但隨著電池供電型產(chǎn)品的功能日益復(fù)雜，電源設(shè)計(jì)也開(kāi)始改變，把產(chǎn)品所需的各種電源整合在一起已成為潮流，除了處理器所需的電源外，還有藍(lán)牙模塊、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模塊和屏幕等其它功能也需要獨(dú)立的電源。在這類(lèi)應(yīng)用中，電源供應(yīng)方式可分為幾種：
??采用內(nèi)含其它功能的電源供應(yīng)芯片，例如CODEC、ADC、音頻放大器和充電器等
??單個(gè)芯片提供全部所需電源
??功能模塊專(zhuān)用的電源轉(zhuǎn)換器

本文將介紹后面兩種解決方案。在設(shè)計(jì)中采用功能模塊專(zhuān)用的電源轉(zhuǎn)換器有幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：首先是電路板的零件位置更容易安排，因?yàn)樗鼈兛芍苯臃旁谔幚砥骰驘o(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模塊等供電目標(biāo)的旁邊。其次，電路板布局更簡(jiǎn)單，因?yàn)?a target="_blank">信號(hào)不必穿越整張電路板。另外，這些電源與其它電路之間的耦合也會(huì)降至最低，這對(duì)GPS模塊或鎖相回路 (PLL) 等敏感性電源特別重要。

這種做法對(duì)于以現(xiàn)有解決方案為基礎(chǔ)的后續(xù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)計(jì)劃也有好處，因?yàn)楫?dāng)工程師要改變產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，他們可將變動(dòng)范圍局限在功能模塊層級(jí) – 設(shè)計(jì)人員只需修改功能升級(jí)的部份，其它電路則保持不變；相較之下，若應(yīng)用只有一個(gè)電源芯片，工程師就要花更多精神讓設(shè)計(jì)符合新要求。由于縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間已成為產(chǎn)品成功的關(guān)鍵，這類(lèi)電源供應(yīng)方式顯然具有相當(dāng)優(yōu)勢(shì)。

要提供這種解決方案，電源芯片必須達(dá)到幾項(xiàng)要求。首先必須有一系列器件提供所需的各種電源，且其體積必須盡量縮小，以免占用太多電路板空間。其次，這些芯片應(yīng)很容易針對(duì)不同的需求搭配不同的解決方案。德州儀器 (TI) 的TPS6502x和TPS6505x系列就是例子，這些器件專(zhuān)門(mén)為手持裝置的應(yīng)用處理器提供電源。由于不同系列的處理器會(huì)有不同的需要，它們也有專(zhuān)屬芯片來(lái)支持個(gè)別型號(hào)或個(gè)別系列的處理器及應(yīng)用。

一般而言，使用電池的應(yīng)用都會(huì)要求電源在很大的輸出電流范圍內(nèi)維持高效率，因此所有器件的操作都必須針對(duì)靜態(tài)電流最佳化。所謂靜態(tài)電流是芯片在不提供任何輸出電流的情形下，繼續(xù)維持輸出電壓所需的電流，這項(xiàng)參數(shù)對(duì)必須長(zhǎng)時(shí)間處在待機(jī)模式的應(yīng)用很重要。低靜態(tài)電流不但延長(zhǎng)應(yīng)用的待機(jī)時(shí)間，對(duì)直流電源轉(zhuǎn)換器在超低輸出電流下的工作效率也有很大影響。

降壓轉(zhuǎn)換器等直流電源轉(zhuǎn)換器的效率會(huì)受到三項(xiàng)因素影響：輸出電流很大時(shí)，效率主要由內(nèi)部電源開(kāi)關(guān)的阻抗決定，因此低阻抗對(duì)這個(gè)操作范圍很重要。對(duì)于采用固定頻率脈寬調(diào)制 (PWM) 的降壓轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，負(fù)載周期是由輸入對(duì)輸出電壓的比值決定。輸出電壓很小時(shí)，內(nèi)部下端開(kāi)關(guān) (NMOS) 的導(dǎo)通時(shí)間會(huì)遠(yuǎn)超過(guò)上端開(kāi)關(guān) (PMOS)；如果輸出電壓很高，就變成上端開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間比較長(zhǎng)。因此若假設(shè)所有轉(zhuǎn)換器的輸入電壓都相同，設(shè)計(jì)人員就應(yīng)針對(duì)轉(zhuǎn)換器的目標(biāo)輸出電壓來(lái)選擇開(kāi)關(guān)的大小和阻抗；一般來(lái)說(shuō)，便攜式應(yīng)用的鋰離子電池的電壓范圍大約從4.2V到3.0V，未來(lái)還可能進(jìn)一步降低到2.5V。

當(dāng)輸出電流在10-200mA范圍時(shí)，主要耗電來(lái)源就不再是開(kāi)關(guān)阻抗，而是由電源開(kāi)關(guān)的閘極電荷和電感功耗決定其效率。利用開(kāi)關(guān)頻率控制輸出電流是在此操作范圍保持高效率的重要技巧，這種做法稱(chēng)為脈沖頻率調(diào)制 (PFM)。PFM基本上會(huì)提供固定的電能到輸出端：輸出電流很大時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率就比較高，輸出電流低時(shí)則降低開(kāi)關(guān)頻率，進(jìn)而減少開(kāi)關(guān)功耗。轉(zhuǎn)換器的輸出電流很低時(shí)，靜態(tài)電流造成的固定功耗就如前所述決定整體的效率。

TPS6502x和TPS6505x系列的所有器件都采用低耗電最佳設(shè)計(jì)，故能在很大的電壓和電流范圍內(nèi)提供最高轉(zhuǎn)換效率。表1是TPS502x系列概況，這些器件包含3組降壓轉(zhuǎn)換器，分別提供系統(tǒng)電壓、內(nèi)存電壓和處理器核心電壓；它們還包含兩組低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器(LDO)，負(fù)責(zé)提供電源給鎖相回路 (PLL) 和SRAM或處理器的其它功能模塊。這些器件還有許多功能未列在表中，例如后備電池支持、I2C界面和重置功能。

*轉(zhuǎn)換器1-3的輸出電壓可通過(guò)外接電阻分壓器調(diào)整，LDO電壓則由兩支數(shù)字輸入接腳設(shè)定。另外，所有轉(zhuǎn)換器和兩組LDO的輸出電壓也能通過(guò)I2C界面設(shè)定。

若應(yīng)用處理器需要更多電源，也可選擇TPS6505x系列。上述器件包括兩個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器和4個(gè)具有較高的電源抑制比 (PSRR)的LDO。LDO可以提供電源給需要低噪聲的模塊，例如PLL、GPS模塊或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模塊。TPS6505x系列的封裝很小，而且只需很少的外部組件，故能設(shè)計(jì)出最小的電源供應(yīng)解決方案。TPS6505x系列采用小巧的4 x 4毫米QFN封裝，引腳間距只有0.4毫米，引腳總數(shù)則多達(dá)32支。這么多的引腳和QFN封裝底部的散熱墊，讓TPS6505x系列成為散熱效能優(yōu)異的高集成解決方案。

圖1：TPS65052的結(jié)構(gòu)圖

圖1是TPS65052的結(jié)構(gòu)圖。這款器件專(zhuān)門(mén)支持三星電子 (Samsung) 的應(yīng)用處理器，它們?cè)诘秃碾娔Ｊ叫枰?.0V核心電壓，正常操作模式則需要1.3V電壓。為了將外部零件減到最少，這款器件的降壓轉(zhuǎn)換器1會(huì)提供3.3V固定輸出電壓給I/O使用，轉(zhuǎn)換器2則負(fù)責(zé)提供核心電壓，且輸出電壓可設(shè)為1.0V或1.3V，具體設(shè)置視DEFDCDC2數(shù)字輸入引腳的狀態(tài)而定，因此不需外部零件來(lái)設(shè)定降壓轉(zhuǎn)換器的電壓。LDO也是如此，這款器件會(huì)根據(jù)內(nèi)部表格解讀DEFLDO1到DEFLDO4等4只數(shù)字輸入引腳的狀態(tài)，再按照解讀結(jié)果設(shè)定LDO輸出電壓。在這4組LDO中，有3組擁有獨(dú)立的輸入電壓引腳，可接受1.5-6.5V之間的任何輸入電壓。這些LDO還能接受不同的電源，其中1組可由電池提供，其它則可來(lái)自降壓轉(zhuǎn)換器1或系統(tǒng)內(nèi)的任何可用電源。工程師應(yīng)為L(zhǎng)DO選擇最低輸入電壓，這能將設(shè)計(jì)最佳化以實(shí)現(xiàn)高效率。此系列的其它器件還能通過(guò)外部電阻分壓器設(shè)定輸出電壓，確保應(yīng)用設(shè)計(jì)更有靈活性。表2是TPS6505x系列選項(xiàng)。

除了降壓轉(zhuǎn)換器和LDO外，TPS6505x系列還包含1個(gè)具有100ms延遲時(shí)間的比較器，當(dāng)它發(fā)現(xiàn)輸入電壓達(dá)到1V臨界值時(shí)，就會(huì)在漏極開(kāi)路輸出引腳產(chǎn)生重置信號(hào)；另外，它還能通過(guò)引腳設(shè)定比較器動(dòng)作的滯后時(shí)間。設(shè)計(jì)人員只要將比較器輸出連接到任何一個(gè)轉(zhuǎn)換器或LDO的啟動(dòng)引腳，就能在電壓超過(guò)臨界值時(shí)啟動(dòng)該LDO或轉(zhuǎn)換器。TPS6505x使設(shè)計(jì)人員只需一個(gè)很小的芯片，就能產(chǎn)生6組不同的電源和處理器重置信號(hào)。