為緊湊型PCMCIA卡選擇合適的超薄DC-DC轉(zhuǎn)換器

不斷縮小的電子電路對電源提出了跟上步伐的要求。PCMCIA卡格式迫使設(shè)計(jì)人員考慮轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并密切關(guān)注滿足超薄設(shè)計(jì)要求的組件。本教程討論PMICIA卡的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。對于超薄設(shè)計(jì)，本文推薦使用線性穩(wěn)壓器、電荷泵和基于電感的開關(guān)穩(wěn)壓器。分析了幾種轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞娜觞c(diǎn)。

除了必須最大限度地降低噪聲、實(shí)現(xiàn)高效率并避免上電期間的浪涌電流外，電源設(shè)計(jì)人員還必須遵守PCMCIA卡上元件的嚴(yán)格高度限制。用于PCMCIA卡的DC/DC轉(zhuǎn)換器具有一系列應(yīng)用，可產(chǎn)生一系列轉(zhuǎn)換要求。應(yīng)用包括閃存器件的 12V 生成、模擬電路的 -5V 生成以及 3.3V 至 5V 和 5V 至 3.3V 轉(zhuǎn)換。其中一些應(yīng)用的出現(xiàn)是由于5V不耐受的DRAM芯片和3.3V PC卡標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)。

這些應(yīng)用的潛在電源電路包括線性穩(wěn)壓器;電荷泵;以及降壓、升壓、反激和反相開關(guān)模式穩(wěn)壓器。穩(wěn)壓器控制方案包括線性、自由運(yùn)行、脈寬調(diào)制 （PWM） 和脈沖頻率調(diào)制 （PFM）。相互沖突的設(shè)計(jì)要求包括低高度、小面積、低成本、高效率、低浪涌電流，以及在某些情況下的低EMI輻射。

3.3V至5V的轉(zhuǎn)換是一個(gè)關(guān)鍵的DC/DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用，因?yàn)镻CMCIA 3V/5V工作組準(zhǔn)備發(fā)布3.3V PC卡標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃于2月發(fā)布。該標(biāo)準(zhǔn)取代了1.3版，并允許僅以3.5V運(yùn)行的主機(jī)系統(tǒng)。它指定硬件密鑰，以防止在僅 3.3V 的主機(jī)插槽中插入僅 3V 的卡，反之亦然。為了與各種主機(jī)系統(tǒng)兼容，PC 卡的 Vline 應(yīng)接受來自主機(jī)的 3.5V 或 3V。但是，許多卡不接受3.<>V，需要升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器才能實(shí)現(xiàn)更高的電壓。

將3.3V升壓至5V的電路包括PWM升壓穩(wěn)壓器、PFM升壓穩(wěn)壓器和電荷泵。電荷泵（圖1a）是最小、成本最低的選擇。您可以制造具有薄型的電荷泵，因?yàn)檫@些泵沒有電感器或變壓器。然而，電荷泵在3.3V時(shí)的半負(fù)載效率僅為75%，比基于電感的開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的效率低10%至12%。

在工作時(shí)，電荷泵將外部電容器充電至不同的電壓，然后并聯(lián)。由此產(chǎn)生的損耗導(dǎo)致電荷泵效率在很大程度上取決于輸入輸出電壓的比值。效率與輸入電壓的關(guān)系圖在V時(shí)出現(xiàn)峰值外是 V 的偶數(shù)倍數(shù)在 (圖1b）。在任何情況下，75%的效率與1型PCMCIA卡上的電感開關(guān)穩(wěn)壓器所達(dá)到的效率相當(dāng)，因?yàn)楸馄诫姼衅鞴逃械母咧绷?a target="_blank">電阻。與基于電感的電路不同，電荷泵的效率是恒定的，負(fù)載電流小至1mA。

圖1.由于電荷泵（a）具有低成本和小尺寸的特點(diǎn)，因此可能是3.3V至5V轉(zhuǎn)換器的不錯(cuò)選擇。電荷泵的效率與輸入電壓的關(guān)系（b）顯示一條曲線，該曲線在輸入電壓的偶數(shù)倍處達(dá)到峰值。

電荷泵中的眾多大電流開關(guān)限制了其相對于電感電路的輸出電流能力。但是，開關(guān)允許您通過并聯(lián)電荷泵來獲得更高的電流。此外，電荷泵在啟動(dòng)時(shí)吸收的浪涌電流比大多數(shù)電感電路小，并且在關(guān)斷模式下輸出電壓降至零，這與電感升壓電路不同。電荷泵還提供快速啟動(dòng)，這有助于系統(tǒng)在休眠模式后實(shí)現(xiàn)快速內(nèi)存訪問。

高開關(guān)頻率允許您在電荷泵電路中使用小電容器。該電路包括一個(gè)可選的V抄送-旁路MOSFET，可在V時(shí)提高3V/5V系統(tǒng)的效率抄送為 5V。最壞情況下負(fù)載條件下的啟動(dòng)時(shí)間為500μs，相應(yīng)的峰值浪涌電流為600mA。通過使用PWM或其他門控時(shí)鐘信號(hào)在啟動(dòng)期間驅(qū)動(dòng)芯片的關(guān)斷引腳一兩毫秒，可以進(jìn)一步改善啟動(dòng)條件。

基于電感的穩(wěn)壓器非常高效

與其他穩(wěn)壓器拓?fù)湎啾龋陔姼械纳龎悍€(wěn)壓器具有幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢。首先，升壓穩(wěn)壓器簡單高效。它們電感和輸入源的串聯(lián)輔助連接提供比其他選項(xiàng)（如反激式和正激式轉(zhuǎn)換器）更低的峰值電感電流。低峰值電流允許使用小型電容器和電感器，具有低I2損耗并提供高效率。低電阻提供更好的效率，但通常需要更大、更昂貴的組件。

高浪涌電流和無法關(guān)斷電路抵消了基于電感的升壓穩(wěn)壓器的優(yōu)勢。您可以添加具有慢導(dǎo)通特性的可選高邊開關(guān)，以適應(yīng)這些缺點(diǎn)。升壓穩(wěn)壓器（圖 2）采用 PFM 控制環(huán)路，利用小型外部元件提供出色的輕負(fù)載效率。噪聲和EMI輻射高于傳統(tǒng)的PWM穩(wěn)壓器。靜態(tài)電源電流在 V 時(shí)的平均電流僅為 50μA在= 3.3V，相對較高的開關(guān)頻率（300kHz）允許使用5μH或更小的低值電感器。

圖2.使用最大高度為 1.2mm 的組件，您可以設(shè)計(jì)超薄 3.3V 至 5V PFM 升壓穩(wěn)壓器。

PFM升壓電路的另一個(gè)特點(diǎn)是其扁平封裝，可容納1型PCMCIA卡。除肖特基整流二極管外，所有組件均為超扁平，最大高度為1.2mm。該二極管是摩托羅拉的500mA鉻勢壘型，采用SOD-123封裝，最大高度為1.35mm。對于 Type-1 卡，二極管不夠平坦，除非您偏移卡盒中的印刷電路板。穩(wěn)壓器IC封裝為SOT-144，最大高度為1.1mm。

其他組件包括PFET開關(guān)，這是德州儀器的低閾值器件，采用TSSOP（最大高度為1.1mm），具有高CV產(chǎn)物的扁平保形涂層鉭電容器（Sprague最大高度為1.2mm），以及Coiltronics的寶石狀平面鐵氧體電感器（高度為1.19mm）。超薄電感器具有高直流電阻（約 0.5 μhm），效率比適用于 II 型 PCMCIA 卡的高電感器低 5%。

通常，只有當(dāng)卡包含RF接收器或其他帶有開關(guān)穩(wěn)壓器的敏感模擬電路時(shí)，噪聲和EMI才會(huì)成為問題。在這種情況下，可以使用固定頻率PWM升壓穩(wěn)壓器，例如170kHz MAX751，其諧波不會(huì)干擾接收器的頻段。另一種選擇是使用PFM穩(wěn)壓器，它產(chǎn)生的噪聲頻譜比PWM穩(wěn)壓器更寬。因此，PFM穩(wěn)壓器不會(huì)干擾大多數(shù)PC卡上的數(shù)字電路。脈沖跳躍PFM穩(wěn)壓器產(chǎn)生的隨機(jī)頻譜可在任何一個(gè)頻率下產(chǎn)生較少的噪聲。此特性有助于 FCC 認(rèn)證。

控制浪涌電流

浪涌電流與電源電壓上升時(shí)間是設(shè)計(jì)PCMCIA卡電源時(shí)的一個(gè)重要權(quán)衡因素。對于許多系統(tǒng)而言，穩(wěn)壓器中的高峰值電流限值允許更快的上升時(shí)間，這反過來又允許系統(tǒng)在從深度睡眠或斷電狀態(tài)返回時(shí)更快地訪問存儲(chǔ)器。然而，高峰值電流在上電時(shí)會(huì)產(chǎn)生高浪涌，因?yàn)榉€(wěn)壓器試圖通過將大電流傾倒到輸出電容中來糾正其反饋誤差。

升壓穩(wěn)壓器增加了啟動(dòng)尖峰（通常為20μs脈沖，為2A或更高），通過源極、電感和整流器的串聯(lián)連接為輸出電容充電，從而加劇了浪涌電流問題。當(dāng)啟動(dòng)尖峰加入輸入電容的浪涌電流時(shí)，總電流很容易超過10A（圖3）。對于許多小型系統(tǒng)，電流尖峰會(huì)使旁路電容不堪重負(fù)。對于其中許多系統(tǒng)，電流尖峰可能導(dǎo)致監(jiān)視器出現(xiàn)電源故障、激活重置以及在系統(tǒng)嘗試切換 V 后重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)抄送到卡上。

圖3.不帶高端開關(guān)的升壓穩(wěn)壓器的輸出電壓（2V/格的上部波形）（a）和輸入電流（下部波形為2A/格）。V電路響應(yīng)在= 3.3V 和 R負(fù)荷= 25 微歐姆。水平刻度為 100μs/div。具有慢速高邊開關(guān)的升壓穩(wěn)壓器的輸出電壓（2V/格時(shí)為上限波形）（b）和輸入電流（下部波形為500mA/div）。水平刻度為 500μs/格。

抑制浪涌電流尖峰的最佳方法是添加一個(gè)高端開關(guān)（圖 4）。該開關(guān)是一個(gè)邏輯電平p溝道MOSFET，加上柵極電路中的一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)，用于延遲導(dǎo)通。在柵極-漏極結(jié)兩端增加米勒電容可進(jìn)一步降低PFET的開關(guān)速度。要將啟動(dòng)延遲200μs，請控制IC的關(guān)斷引腳。停機(jī)引腳允許旁路電容器的輸入浪涌電流在使能開關(guān)穩(wěn)壓器之前建立。

圖4.您可以使用 FET 開關(guān)來抑制浪涌電流尖峰，該開關(guān)的導(dǎo)通特性因 RC 時(shí)間常數(shù)而延遲。

高端開關(guān)還解決了升壓轉(zhuǎn)換器在開關(guān)穩(wěn)壓器關(guān)斷時(shí)輸出電壓無法完全關(guān)斷的問題。相反，V外驟降至等于 V 的電壓在減去二極管壓降。此電壓電平可能會(huì)在掛起和待機(jī)模式下無意中為 PCMCIA 卡供電。高邊開關(guān)通過斷開電源與電路的連接來阻止不需要的電源。

軟啟動(dòng)是降低啟動(dòng)時(shí)浪涌電流的另一種方法。軟啟動(dòng)電路通常包括一個(gè)外部定時(shí)電容器，允許穩(wěn)壓器的峰值電流限制逐漸上升。當(dāng)與慢響應(yīng)輸入開關(guān)結(jié)合使用時(shí)，軟啟動(dòng)功能為在輸出上升時(shí)間與輸入浪涌電流之間進(jìn)行權(quán)衡提供了一種解決方案。

可承受 5V 電壓的降壓型穩(wěn)壓器

當(dāng)裝滿低壓IC的卡必須承受5V輸入才能與僅5V主機(jī)兼容時(shí)，降壓穩(wěn)壓器非常重要。降壓型設(shè)計(jì)的權(quán)衡是選擇使用線性穩(wěn)壓器或開關(guān)穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器體積小且價(jià)格便宜，所需濾波電容器的低值降低了浪涌電流。它們的缺點(diǎn)是效率低。如果忽略基極電流和靜態(tài)電流，線性穩(wěn)壓器的效率理論上等于V外/V在，對于 66V 至 5.3V 轉(zhuǎn)換器，為 3%?；赑FET的電路（圖5a）接近理論效率，因?yàn)樗鼪]有pnp基極電流，靜態(tài)電流低至7μA。

在開關(guān)穩(wěn)壓器中，降壓拓?fù)湓诮祲簯?yīng)用中明顯優(yōu)于反激式和單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC）。與升壓穩(wěn)壓器類似，降壓穩(wěn)壓器的峰值電感電流水平相對較低，因此可實(shí)現(xiàn)高效率和小開關(guān)元件。

如果不提及卡上 V ，則對存儲(chǔ)卡電源的討論是不完整的Q-1用于閃存卡和固態(tài)磁盤驅(qū)動(dòng)器的生成。雖然大多數(shù)便攜式主機(jī)系統(tǒng)可以提供足夠的電壓Q-1為卡連接器上的 12V 引腳供電，12V 是 PCMCIA 規(guī)范中的可選電平。為了與一系列主機(jī)系統(tǒng)兼容，您可能需要從 V 添加卡上轉(zhuǎn)換抄送至 12V。

12V轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)目標(biāo)與3.3V至5V轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)目標(biāo)相似：低成本、小元件和低浪涌電流。效率不那么重要，因?yàn)閂Q-1編程器在低占空比下工作，其中 VQ-1電流遇到間歇性負(fù)載，僅在編程和擦除操作期間發(fā)生。您可以將電荷泵用于低電流應(yīng)用，將升壓拓?fù)溟_關(guān)用于高功率水平。

圖5b顯示了一個(gè)12V升壓穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器采用脈沖跳躍PFM控制方案，可實(shí)現(xiàn)高負(fù)載電流。電路是自舉的，這意味著IC的輸出電壓提供電源電壓。其結(jié)果是內(nèi)部n溝道功率MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電壓水平較高，從而提供了低導(dǎo)通電阻和高效率。

圖5.這種基于PFET的線性穩(wěn)壓器（a）接近其理論效率，因?yàn)樗哂械挽o態(tài)電流且無基極電流。用于閃存的 12V 升壓穩(wěn)壓器 （b） 采用脈沖跳躍 PFM 控制方案。

PCMCIA卡電壓范圍很寬

雖然PCMCIA卡通常需要兩個(gè)電源，但PCMCIA格式應(yīng)用的多樣性打開了卡上的潛在電壓轉(zhuǎn)換范圍。例如，在RF發(fā)射器輸出級(jí)采用GaAs FET的無線PCMCIA卡需要-4.1V的低噪聲負(fù)偏置電壓。電壓施加到砷化鎵FET功率晶體管的柵極，以偏置器件以實(shí)現(xiàn)線性操作。直流電源必須是低噪聲的，因?yàn)闁艠O的擾動(dòng)會(huì)調(diào)制RF信號(hào)并產(chǎn)生雜散邊帶。

您可以通過使用未穩(wěn)壓的自由運(yùn)行電荷泵反相主機(jī)電源來完成電壓轉(zhuǎn)換至-4.1V。通過使用pnp線性穩(wěn)壓器進(jìn)行后置調(diào)節(jié)來濾除開關(guān)噪聲（圖6a）。自由運(yùn)行的波形會(huì)產(chǎn)生比穩(wěn)壓電荷泵更高的靜態(tài)電流，但噪聲仍保持在固定頻率，您可以輕松濾除。該 IC 內(nèi)置線性穩(wěn)壓器，在 -5.4V 時(shí)產(chǎn)生 1mA 電流，噪聲和紋波僅為 1mV。

產(chǎn)生3.3V至5V之間的電源電壓是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，通常需要反激式轉(zhuǎn)換器或SEPIC。采用 5V 和 3V 主機(jī)工作的要求排除了降壓和升壓轉(zhuǎn)換器。在高 V 下在電壓、升壓穩(wěn)壓器跟隨輸入并提供過壓，在低 V 時(shí)在，升壓穩(wěn)壓器壓降并允許輸出驟降。反激式和SEPIC電路工作，但高V電壓外-to-V在比率產(chǎn)生高水平的峰值電流，需要大型變壓器或電感器。

升壓穩(wěn)壓器提供串聯(lián)輔助源-電感連接，避免了反激式和SEPIC拓?fù)涞娜秉c(diǎn)。缺點(diǎn)是當(dāng)V在高，拉起V外通過串聯(lián)電感整流器連接，這可能導(dǎo)致V處的過電壓外.PFM升壓/降壓電路（圖6b）填補(bǔ)了賬單。該電路為升壓穩(wěn)壓器，其內(nèi)部pnp有源整流器在高輸入電壓下成為偽線性穩(wěn)壓器。該特性提供升壓/降壓動(dòng)作和完全關(guān)斷 （V外= 0V）。該電路還通過將整流二極管引入IC來節(jié)省空間。

圖6.自由運(yùn)行的電荷泵電路（a）會(huì)產(chǎn)生負(fù)電壓，以偏置無線PCMCIA卡中的GaAs FET。升壓/降壓轉(zhuǎn)換器 （b） 產(chǎn)生 3V 至 5V 的中間電壓。

隔離電源是PCMCIA卡上可能發(fā)生的另一種配置。醫(yī)療、儀器儀表和 LAN 接口卡使用隔離電源。對于小型隔離電源，最佳的開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)涫欠醇な胶椭绷髯儔浩黝愋?。反激式穩(wěn)壓器類似于升壓穩(wěn)壓器;圖7中的示例是一個(gè)直流變壓器。該電路通過將直流電轉(zhuǎn)換為交流電并將其施加到中心抽頭變壓器的初級(jí)端，將能量穿過柵極。由于變壓器以正向而不是反激模式工作，因此其磁芯不儲(chǔ)存能量，因此可能很小。

圖7.隔離電源需要變壓器將輸出電壓與輸入電壓隔離。該穩(wěn)壓器將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓，以正向驅(qū)動(dòng)直流變壓器。

在研究了各種電源設(shè)計(jì)之后，這些小型卡內(nèi)電源的首選應(yīng)該是線性穩(wěn)壓器，然后是電荷泵，然后是基于電感的開關(guān)穩(wěn)壓器。升壓和降壓拓?fù)涫腔陔姼械碾娐分凶詈玫?。如果可能的話，避免使用反激式穩(wěn)壓器，因?yàn)樗鼈兊淖儔浩鲀?chǔ)存能量，因此具有大磁芯。如果必須隔離，請使用直流變壓器。

為了獲得最佳輕負(fù)載效率，請選擇脈沖跳躍PFM控制架構(gòu)而不是PWM類型。一個(gè)例外是低噪聲模擬電路的設(shè)計(jì)，它要求您避免敏感頻段的頻譜污染。不要低估減少浪涌電流的重要性。這個(gè)問題一直困擾著設(shè)計(jì)師。

最后，請留意用于薄型電源的新組件和技術(shù)。本文中討論的元件和IC很少在一年前存在。市場壓力應(yīng)確保IC和元件制造商繼續(xù)開發(fā)PCMCIA應(yīng)用的產(chǎn)品。

審核編輯：郭婷