可攜式產(chǎn)品電源技術(shù)與趨勢(shì)探討

隨著手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本計(jì)算機(jī)、多媒體播放器、可攜式導(dǎo)航設(shè)備等消費(fèi)電子產(chǎn)品的普及，用戶希望它們集成的功能越來越多，價(jià)格越來越便宜，使用更加便捷，但是對(duì)于可攜式電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師來說，他們所要面臨的問題是如何延長(zhǎng)電池的使用壽命，能夠快速方便的充電，安全高效地使用等，他們不但要考慮電源本身的參數(shù)設(shè)計(jì)，還要考慮電器設(shè)計(jì)、電源管理設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、電磁相容性設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、安全性設(shè)計(jì)等技術(shù)。

近幾年來，由于消費(fèi)電子產(chǎn)品的興起，帶動(dòng)電源芯片市場(chǎng)成為電子領(lǐng)域持續(xù)關(guān)注的熱點(diǎn)之一，據(jù)英國IMS Research公司預(yù)測(cè)資料，全球電源IC市場(chǎng)的規(guī)模今后5年內(nèi)將以年均10％的速度擴(kuò)大，到2011年該市場(chǎng)的銷售額將達(dá)到150億美元。除了配備電源IC的家電的供貨量增加之外，復(fù)合電源管理的設(shè)計(jì)也趨于增加，而且電源效率高的產(chǎn)品也越來越受歡迎，這些都將推動(dòng)市場(chǎng)的增長(zhǎng)。另外，在調(diào)查的對(duì)象當(dāng)中，除市場(chǎng)核心產(chǎn)品穩(wěn)壓器外，還包括電源控制、驅(qū)動(dòng)IC及電源管理單元PMU。另據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司Databeans 的分析資料，隨著市場(chǎng)對(duì)電子元器件需求的強(qiáng)勁增長(zhǎng)，特別是在通信和消費(fèi)電子的共同推動(dòng)下，未來5年，電源管理晶片（包括集成和分立元器件）將以每年10%的速度增長(zhǎng)，其中仿真器件是增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域，而以DC-DC轉(zhuǎn)換器、低壓差穩(wěn)壓器和電池管理表現(xiàn)最為搶眼。

可攜式電子產(chǎn)品不管是由交流適配器供電還是由鋰電池供電，工作過程中，電源電壓都將在很大范圍內(nèi)變化。為了保證供電電壓穩(wěn)定不變，幾乎所有的電子設(shè)備都采用穩(wěn)壓器供電。穩(wěn)壓器能夠提供一種不隨負(fù)載阻抗、輸入電壓、溫度和時(shí)間變化而變化穩(wěn)定的電源電壓、低壓差穩(wěn)壓器因其能夠在電源電壓（輸入端）與負(fù)載電壓（輸出端）之間保持微小壓差而著稱。例如，如果鋰電池電壓從4.2V（全充電）下降到2.7V（幾乎全放電），而LDO可在負(fù)載端保持2.5V恒定電壓。

LDO通常包括一個(gè)基準(zhǔn)電壓源、一個(gè)比例輸出電壓與基準(zhǔn)電壓比較環(huán)節(jié)、一個(gè)回饋放大器和一個(gè)串聯(lián)調(diào)整管組成（雙級(jí)型電晶體或FET管）組成，用放大器控制穩(wěn)壓器的壓降維持要求的輸出電壓值。例如，如果負(fù)載電流下降，會(huì)引起輸出電壓顯著上升，誤差電壓增大，放大器的輸出上升，調(diào)整管兩端的電壓會(huì)增加，因此輸出電壓回到其原始值。

在圖1中，誤差放大器和PMOS電晶體構(gòu)成壓控電流源。輸出電壓V_OUT按分壓比（R1，R2）成比例下降，并且將其與基準(zhǔn)電壓（V_REF）比較。誤差放大器的輸出控制增強(qiáng)型PMOS電晶體。

穩(wěn)壓器的“壓差”是指輸出電壓和輸入電壓之間的壓差，如果此輸入電壓繼續(xù)減小，那么該電路便不能穩(wěn)定。通常認(rèn)為當(dāng)輸出電壓下降到低于標(biāo)稱值100mV時(shí)是達(dá)到的目標(biāo)。表征LDO穩(wěn)壓器的關(guān)鍵指標(biāo)取決于負(fù)載電流和調(diào)整管的PN結(jié)溫度。

在圖1中，調(diào)整管是PMOS電晶體。然而穩(wěn)壓器可能使用各種類型的調(diào)整管，因此可以根據(jù)所使用的調(diào)整管類型對(duì)LDO分類。不同結(jié)構(gòu)和特性的LDO具有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。四種類型的調(diào)整管示例如圖2所示，包括NPN雙核型電晶體，PNP雙核型電晶體、復(fù)合型電晶體和PMOS電晶體。

對(duì)于給定的電源電壓，雙核型調(diào)整管可提供最大的輸出電流。PNP優(yōu)于NPN，因?yàn)镻NP的基極可以與地連接，必要時(shí)使電晶體完全飽和。NPN的基極只能與盡可能高的電源電壓連接，從而使最小壓降限制到一個(gè)V_BE結(jié)壓降。因此，NPN管和復(fù)合調(diào)整管不能提供小于1V的壓差。然而它們?cè)谛枰獙掝l寬和抗容性負(fù)載干擾時(shí)非常有用（因?yàn)樗鼈兙哂械洼敵鲎杩筞_OUT特性）。

PMOS和PNP電晶體可以快速達(dá)到飽和，從而能使調(diào)整管電壓損耗和功耗最小，而允許用作低壓差、低功耗穩(wěn)壓器。PMOS調(diào)整管可以提供盡可能最低的電壓降，大約等于R_DS（ON）XI_L，它允許達(dá)到最低的靜態(tài)電流。PMOS調(diào)整管的主要缺點(diǎn)是MOS電晶體通常用作外部器件，特別是當(dāng)控制大電流時(shí)，從而使IC構(gòu)成一個(gè)控制器，而不能構(gòu)成一個(gè)自身完整的穩(wěn)壓器。

一個(gè)完整穩(wěn)壓器的總功耗是：

P_D =（V_IN - V_OUT）I_L + V_INI_GND

上面關(guān)系式的第一部分是調(diào)整管的功耗；第二部分是電路控制器部分的功耗。有些穩(wěn)壓器的接地電流，特別是那些用飽和雙級(jí)型晶體管作調(diào)整管的穩(wěn)壓器會(huì)在上電期間達(dá)到峰值。

LDO通常使用一個(gè)回饋環(huán)路在輸出端提供一個(gè)與負(fù)載無關(guān)的恒定電壓。因?yàn)閷?duì)于任何高增益回饋來說，環(huán)路增益?zhèn)鬟f函數(shù)中極點(diǎn)和零點(diǎn)的位置都決定其穩(wěn)定性。

基于NPN管的穩(wěn)壓器具有低阻抗射極負(fù)載輸出，傾向于對(duì)輸出容性負(fù)載很不敏感。然而，基于PNP管和PMOS管的穩(wěn)壓器具有較大的輸出阻抗（在基于PNP管的穩(wěn)壓器中具有高阻抗集電極負(fù)載）。此外，環(huán)路增益和相位特性強(qiáng)烈依賴負(fù)載阻抗，因此對(duì)于穩(wěn)定性問題需要特別考慮。

基于PNP管的LDO和基于PMOS管的LDO的傳遞函數(shù)具有幾個(gè)影響穩(wěn)定性的極點(diǎn)：主極點(diǎn)（P0）由誤差放大器決定；第二極點(diǎn)（P1）由輸出電抗決定；第三極點(diǎn)（P2）有調(diào)整管附近的寄生電容決定。

如圖3所示，每個(gè)極點(diǎn)產(chǎn)生每10倍頻程20dB的增益下降并且伴隨90°的相移。因?yàn)檫@里所討論的LDO有多個(gè)極點(diǎn)，所以如果單位增益頻率處的相移達(dá)到-180°，線性穩(wěn)壓器會(huì)變得不穩(wěn)定。圖3還示出了容性負(fù)載對(duì)穩(wěn)壓器的影響，其等效串聯(lián)電阻（ESR）會(huì)在傳遞函數(shù)中增加一個(gè)零點(diǎn)（Z_ESR）。該零點(diǎn)有助于補(bǔ)償其中一個(gè)極點(diǎn)，并且如果該極點(diǎn)出現(xiàn)在單位增益頻率以下時(shí)有助于穩(wěn)定環(huán)路并且保持相應(yīng)頻點(diǎn)的相移低于-180°。

ESR對(duì)于維持穩(wěn)定性可能是至關(guān)重要的，特別對(duì)于使用縱向PNP調(diào)整管的LDO。然而，由于電容器的寄生特性，所以ESR不總是好控制。電路可能需要ESR集中在某個(gè)窗視范圍內(nèi)以確保LDO工作在對(duì)于所有輸出電流都穩(wěn)定的區(qū)域（見圖4）。

圖5所示的原理圖示出了一個(gè)環(huán)路如何提供穩(wěn)壓和基準(zhǔn)電壓功能。用外部R1-R2分壓電阻檢測(cè)輸出電壓，然后輸出電壓通過二極體D1和R3-R4分壓電阻反饋回高增益放大器的輸入。當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，放大器產(chǎn)生一個(gè)很大的、可重復(fù)的和容易控制的偏移電壓，該電壓是與絕對(duì)溫度成比例（PTAT）的。PTAT電壓與熱敏二極體電壓降相結(jié)合一起構(gòu)成隱含的基準(zhǔn)電壓，該基準(zhǔn)電壓是不受溫度影響的虛擬帶隙式電壓。

此放大器的輸出連接到一個(gè)同相驅(qū)動(dòng)器以控制調(diào)整管，利用米勒極點(diǎn)分離的補(bǔ)償方法降低對(duì)負(fù)載電容器的電容值、電容器類型和ESR的要求。極點(diǎn)分離方法的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是具有優(yōu)異的電源雜訊抑制和很高的穩(wěn)壓器增益，從而可提供非常高的精度和優(yōu)異的輸出電源調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率。

選擇LDO要根據(jù)電源電壓范圍、負(fù)載電壓和所需的最大壓差。不同器件的主要差別集中在功耗、效率、價(jià)格、容易使用以及各種技術(shù)指標(biāo)和提供的封裝形式。

圖6示出了ADP1710在輸入電容C_IN = 1μF和輸出電容C_OUT = 1μF以及ADP1711在C_IN = 22μF和C_OUT = 22μF幾乎滿載負(fù)載條件下的典型瞬態(tài)回應(yīng)比較。

為了減小體積和重量，低功耗便攜產(chǎn)品大多采用數(shù)量有限的電池供電，這就存在兩個(gè)重要問題：首先是隨著電池放電，其端電壓會(huì)明顯降低；其次是電池具有一定內(nèi)阻，而且隨著放電內(nèi)阻逐漸增大，在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)造成輸出電壓的變化。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地工作，需要一個(gè)穩(wěn)定的電源電壓。

由于大多數(shù)情況需要提升電池電壓，簡(jiǎn)單的三端線性穩(wěn)壓器無法滿足要求，只能采用升壓型開關(guān)穩(wěn)壓器。但是傳統(tǒng)的開關(guān)電源設(shè)計(jì)電路復(fù)雜、體積龐大且自身功耗較大，無法在體積和功耗要求嚴(yán)格的可攜式產(chǎn)品中使用，而Maxim公司推出的MAX167X系列升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器是適合于1~3節(jié)電池供電的低功率便攜產(chǎn)品。

升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)如圖7所示。開關(guān)K導(dǎo)通時(shí)電池B給電感L充電，在L中以場(chǎng)的形式儲(chǔ)存能量1/2LI2（I為電感電流）。K斷開后，L中的磁能又以電能的形式釋放給濾波電容C2和負(fù)載RL。周期性的開關(guān)操作使電池能量源源不斷地送入負(fù)載，而輸出電壓被轉(zhuǎn)換為：

V_OUT = Vin /（1-δ）

其中δ為開關(guān)占空比（導(dǎo)通時(shí)間占工作周期的比率）?？刂齐娐繁O(jiān)測(cè)輸出電壓并控制占空比，從而達(dá)到調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓的目的?？刂品绞阶畛Ｒ姷挠蠵FM（脈沖頻率調(diào)制）和PWM（脈沖寬度調(diào)制）兩種。前者具有較小的靜態(tài)電流，輕載情況下效率較高，但紋波稍大。后者在重載時(shí)具有較高效率，雜訊小。

MAX167X系列升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器采用一種改進(jìn)的限流PFM控制方式，控制電路限制電感充電電流，使其不超過某一峰值電流。既保持了傳統(tǒng)PFM的低靜態(tài)電流，同時(shí)在較重負(fù)載下也具有很高的效率，而且由于限制了峰值電流，采用很小體積的周邊元件就可獲得滿意的輸出紋波，利于降低電路的尺寸和成本。

除了控制方式的改進(jìn)外，MAX167X還采用另外兩種技術(shù)以獲得更高的性能：提高效率的同步整流和降低EMI（電源干擾）的阻尼換流。圖7電路中，流過整流管D的平均電流I_D等于負(fù)載電流，正向壓降V_DF造成轉(zhuǎn)換效率的損失大約為V_DF / V_OUT。即使采用正向壓降較低的肖特基二極管，V_DF仍有0.4~0.6V，輸出電壓比較低時(shí)（如3.3V），這種損失不容忽視（可達(dá)18%）。同步整流就是采用另外一雙MOSFET替代二極管作為整流器。由于MOSFET的溝道電阻非常低，使整流器的功耗大大降低。