便攜式應(yīng)用中的DC-DC 變換器

DC-DC的開(kāi)關(guān)型電源變換器在整個(gè)電子行業(yè)中正得到越來(lái)越多的應(yīng)用。對(duì)于電路板空間和發(fā)熱管理都異常嚴(yán)格的便攜式應(yīng)用來(lái)說(shuō)，經(jīng)濟(jì)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(xiàn)性低壓降(LDO)穩(wěn)壓器、電感型開(kāi)關(guān)模式DC-DC變換器還是電容電荷泵DC-DC變換器來(lái)完成電源轉(zhuǎn)換方面，便攜式應(yīng)用的設(shè)計(jì)者要綜合考慮許多因素——總成本、效率、集成度、設(shè)計(jì)靈活性和封裝，并作出折衷選擇。
當(dāng)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(shí)現(xiàn)的外形最小。從充滿(mǎn)到放空的過(guò)程中，電池電壓一般從4.2V降到2.7V，在放電周期大部分時(shí)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(gè)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(lèi)不少的電源電壓，來(lái)滿(mǎn)足系統(tǒng)中各類(lèi)器件的要求。處理器核常用的電源是1.1V，存儲(chǔ)器要用2.5V和3.3V的電源，Compact Flash或USB等擴(kuò)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(shí)側(cè)重點(diǎn)不同，設(shè)計(jì)者們推出了多種不同的電源變換方式。圖1對(duì)各種DC-DC變換器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一個(gè)簡(jiǎn)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(dòng)一個(gè)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(lái)說(shuō)，LDO根據(jù)負(fù)載電阻的變化情況來(lái)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(jiǎn)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(chǔ)器電壓變換過(guò)程中，LDO的效率高達(dá)89％，但是在將同樣的電池輸出變換成1.1V處理器核電源時(shí)，效率只有29%。如今LDO以芯片級(jí)封裝等各種形式出現(xiàn)，所占面積僅為幾個(gè)平方毫米，而且在小型應(yīng)用時(shí)只要求一個(gè)陶瓷輸入和輸出電容即可工作。由于采用線(xiàn)性調(diào)節(jié)原理，LDO本質(zhì)上沒(méi)有輸出紋波，一個(gè)理想的應(yīng)用是對(duì)“強(qiáng)噪聲”的開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器輸出進(jìn)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(kuò)大以及輸出電流增加時(shí)，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(guò)線(xiàn)性通路元件的電流得到。
電荷泵，也稱(chēng)為開(kāi)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(lái)儲(chǔ)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(fù)電壓。其內(nèi)部的FET開(kāi)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(guò)程可以保證高達(dá)80％的效率，而且只需外接陶瓷電容。由于電路是開(kāi)關(guān)工作的，電荷泵結(jié)構(gòu)也會(huì)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(jí)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(kāi)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(wú)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(gè)電荷泵實(shí)例，它用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)用作顯示器背光的白光LED。
電感型開(kāi)關(guān)式DC-DC 變換器利用了磁場(chǎng)儲(chǔ)能，不論是升壓、降壓還是兩者同時(shí)進(jìn)行，都可以實(shí)現(xiàn)最高的電源轉(zhuǎn)換效率。盡管它與線(xiàn)性或電荷泵式器件相比要求更大的電路板面積，但對(duì)于要求更大電流的應(yīng)用來(lái)說(shuō)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(jiǎn)化。特別是，與LDO器件相比時(shí)，它常常不需要附加一個(gè)占大量空間的、成本較高的散熱器。其高達(dá)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(jì)有很大的靈活性，設(shè)計(jì)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(jìn)封裝技術(shù)也使得開(kāi)關(guān)晶體管能集成到器件中，使得開(kāi)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(jí)TSSOP－28形式封裝的9A?？紤]到集成有FET的電感型開(kāi)關(guān)模式DC-DC變換器的電流輸出能力和效率，它使用時(shí)只需外接一個(gè)電感和必不可少的輸入、輸出電容，故可以使整個(gè)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(shí)例表明了如何結(jié)合線(xiàn)性調(diào)節(jié)方法來(lái)有效利用DC-DC 變換器。該升壓DC-DC變換器可以將來(lái)自一個(gè)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(gè)1.8V的處理器核電源電壓。兩種功能模塊都集成在4mm