隨著功能和處理能力的提高，降壓轉換器在手持設備中激增

便攜式消費電子產品正在集成許多新功能。系統(tǒng)設計人員面臨的挑戰(zhàn)是滿足消費者對小物理尺寸和長電池壽命的期望。每個新產品功能都需要額外的空間和額外的處理能力。同時，留給電池的空間越來越小，對更高電源輸出電流和更小空間內效率更高的需求也在增加。本文認識到這些電流對電源設計的要求，并比較了小型便攜式設備中使用的不同穩(wěn)壓器類型。

介紹

現(xiàn)代便攜式消費電子產品集成了許多新功能，以至于最新的化身往往很難分類。雖然更多的功能可以增加銷售額，但系統(tǒng)設計人員面臨的挑戰(zhàn)是滿足消費者對小物理尺寸和長電池壽命的期望。每個新功能都需要額外的空間和額外的處理能力。這為電池留下了更少的空間，并增加了電源需求，以在更小的空間內以更高的效率獲得更高的輸出電流。

對更高功率的需求改變了設計標準

就在一兩年前，大多數(shù)手持電子設備通常不使用或一個降壓轉換器和許多低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器來為各種功能塊供電。這很有效，因為流行的處理器通常以3.0V至3.3V供電，在該電壓范圍內，LDO在單節(jié)Li+電池輸入下具有適當?shù)男?。然而，隨著加工需求的增加和IC工藝技術向更小的亞微米幾何形狀遷移，流行的內核電壓降至1.8V、1.5V、1.3V甚至0.9V。此外，典型的I/O電壓已從3.3V降至2.5V或1.8V。在如此低的輸出電壓下，LDO變得非常低效并產生大量熱量，從而抵消了低壓內核和I/O的一些優(yōu)勢。因此，為了在低輸出電壓下保持高效率，設計人員必須改用降壓轉換器。

為了滿足對低電源電壓的需求，許多系統(tǒng)現(xiàn)在依賴于多個處理器。手機+PDA組合就是一個很好的例子，因為它通常有一個基帶處理器和一個應用處理器，每個處理器都需要單獨的電源。當今流行的蜂窩手機和PDA相機模塊仍然傾向于在LDO上運行，但相關的圖形處理器通常需要低電壓。因此，現(xiàn)代多功能設計通常采用多個降壓轉換器。在PCB上找到三個降壓轉換器的情況并不少見。

雖然最新的定制電源管理IC（PMIC）已經(jīng)集成了一個或多個降壓轉換器，但對于這些手持應用來說，這通常是不夠的。對于每個新功能，都有可能出現(xiàn)另一個降壓轉換器，或者需要具有更高輸出電流能力的降壓轉換器。越來越明顯的是，那些使用分立電源IC在各種產品組合中快速提供新功能的制造商正是市場份額增長最快的制造商。

尺寸的挑戰(zhàn)

直到最近，增加降壓轉換器的成本不僅可以用真錢來計算，還可以用大量的印刷電路板空間來計算。三年前，典型的小型降壓轉換器采用15mm2MSOP封裝，開關頻率為1MHz或更低，需要一個大的外部電感器和通常的大鉭電容。如圖1b所示，如今的1MHz降壓轉換器采用9mm2TDFN封裝、陶瓷電容和更新、更小的電感器，得到了極大的改進。然而，1MHz降壓轉換器仍然比典型的LDO大得多，如圖1a所示。

解決尺寸問題的關鍵在于，現(xiàn)代亞微米BiCMOS混合信號工藝可實現(xiàn)更小的電源IC和更快的開關頻率，用于更小的外部元件。如今，許多制造商在小型封裝中提供2MHz或更高的頻率。如圖1c所示，4MHz降壓轉換器方案，如Maxim的MAX8560，可能幾乎與LDO一樣小！在高開關頻率下，可以使用非常小的現(xiàn)代片式電感器，例如 Taiyo Yuden 的 2012 外殼尺寸的 CB0805 系列。

盡管工藝進步使1MHz和4MHz降壓轉換器都受益，但4MHz降壓轉換器仍低于1MHz降壓效率，如圖2所示。高速開關會在轉換器中產生更多的開關損耗和容性損耗，而微小電感往往具有更多的磁場磁芯損耗。然而，效率差異并不大，特別是與LDO的低41%效率相比。

總結

這給系統(tǒng)設計人員留下了電源管理選擇：a）最小尺寸，b）最高效率，或c）小尺寸和高效率，后者允許在電池壽命和物理尺寸之間平穩(wěn)權衡。由于高頻降壓轉換器（選擇c）在尺寸幾乎沒有增加的情況下提供了如此顯著的效率改進，因此它正在成為多功能便攜式消費類手持設備中最受歡迎的解決方案。展望不久的將來，由于降壓轉換器產生的熱量比LDO少，因此有可能取代LDO成為最小的解決方案。

圖1.LDO線性穩(wěn)壓器（a）雖然效率不高，但物理尺寸很小。傳統(tǒng)的1MHz降壓轉換器（b）提供非常高的效率，但尺寸損失很大。最新的高速4MHz降壓轉換器（c）的尺寸接近LDO，效率接近1MHz降壓轉換器。

圖2.兩款降壓轉換器的效率都遠高于LDO線性穩(wěn)壓器。然而，4MHz降壓轉換器犧牲了幾個效率點來實現(xiàn)更小的解決方案。

審核編輯：郭婷