擁有線性穩(wěn)壓器特性的下一代移動DC-to-DC轉換器
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
今天的手機不斷向小型化和薄型化發(fā)展。這點毫不奇怪，技術尺寸方面的多數(shù)進展是一個關鍵問題，可以決定產品開發(fā)的命運。由于移動器件的尺寸不斷變小，元件尺寸和元件數(shù)量也必須如此。隨著每個元件周圍的空間縮小，元件的布置變得更加重要。干擾與“低噪聲安置”成為工程師工作的一部分。小于0.6mm的元件現(xiàn)已成為標準要求。但是，有一些限制因素正在制約這種尺寸縮小的趨勢。第一個因素是手機每增加一個新特點，其功耗也要相應增加。最明顯的例子是，10年前顯示屏的功耗不到50mW，今天已上升到150mW-200mW，預計幾年后將上升到3-500mW。此外，還有多媒體處理器、相機模塊、電視調諧器等等，很容易看到為什么手機的功耗不斷增加。不幸的是，電池技術跟不上這種需求的步伐。鋰離子能量密度只增長了一倍，從100Whr/Kg左右上升到了200Whr/kg左右，而手機功耗卻增長了三倍。即使考慮到了密度方面的改善，今天普通電池的尺寸與前幾年一樣，甚至比前幾年還大，而通話時間和待機時間卻變短了?？紤]到所有這些因素，容易看出電源管理在今天的移動產品中扮演著越來越重要的角色。
電源管理器件的類型
作為一個例子，讓我們看看手機的心臟——基帶處理器。手機中的基帶處理器傳統(tǒng)上利用低壓降線性穩(wěn)壓器(LDO)供電。LDO的優(yōu)點是在各種條件下的輸出噪聲偏差都很低，尺寸很小，容易使用，而且不會在電池上產生可能影響其它元件的反射噪聲，外部元件較少。LDO的缺點是其效率通常低于DC-DC轉換器，而且效率隨著芯片組電壓要求的下降而下降，但電池電壓保持不變。隨著手機功能對于功率的需求不斷增加，許多設計師正在采用DC-DC轉換器來代替LDO，以提高效率和維持電池壽命。
DC-DC轉換器為設計師提供了一種可行的替代方案；它們在廣泛的負載范圍內具有高效率，LDO在這方面無法與之相比。但是，DC-DC轉換器在其它所有方面幾乎都遜于LDO，它的尺寸較大，較難使用，需要更多的外部元件，而且產生更多的噪聲。最大的外部元件是電感。為了使DC-DC轉換器有效地運行，該器件必須以較高的頻率開關一個存儲元件，通常是一個電感。這個功能必然產生噪聲，并使穩(wěn)壓器的尺寸變大。這種“噪聲”可以轉移到它所供電的器件，也就是基帶處理器，從而引起系統(tǒng)問題。它也可能沾染電池，進而導致噪聲擴散到手機的每個部位。為了降低這種現(xiàn)象，手機設計師必須增加電容和電感等額外的過濾元件，以隔離和抑制噪聲。這將擴大產品尺寸和提高復雜性。同時也需要對電路板的空間進行認真規(guī)劃，以使敏感區(qū)域遠離DC-DC轉換器，并盡可能在與之隔絕。噪聲并不是總可以預測的，而在設計大批量消費產品時，可預測性和對風險采取保守對策是極其重要的。
圖1所示為用于手機的LDO及傳統(tǒng)的DC-DC轉換器之間的差異。
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圖1 DC-DC轉換器與LDO概覽 |
從效率角度來看，顯然DC-DC轉換器是電源管理的未來方向。挑戰(zhàn)在于降低DC-DC轉換器的尺寸，使之成為象LDO那樣的小型、簡單、低噪聲和便宜器件。要求移動產品小型化的市場力量和需求，將迫使出現(xiàn)這種情況。
為了搞清楚如何實現(xiàn)這個目標，讓我們先看一下構成DC-DC轉換器的器件。最大器件是電感。電感是一個開關存儲元件，因此不僅尺寸大，而且會產生磁場，從而在電路板設計中引起噪聲問題。顯然，電感的面積和高度必須縮小，以接近理想的LDO類型的產品。我們再看看DC-DC轉換器的功能，以及為什么電感的尺寸需要做得這么大。圖2所示為一個非同步降壓DC-DC轉換器的基本運行。移動DC-DC轉換器通常是天生同步的，用MOSFET代替二極管以提高效率。為了便于理解，利用一個非同步降壓轉換器來介紹運行情況。
開關具有開關兩種工作模式，每秒開關的次數(shù)就是開關頻率。當開關關閉時，能量就被輸送到輸出負載并存儲在電感里面。當開關打開時，存儲在電感中的能量被傳送到輸出。開關的開與關之間的比率被稱為負載循環(huán)，控制該比率就能控制輸出電壓。從圖2可以看出，電感電流由兩部分組成。第一個是DC輸出電流，第二個是開關電感引起的電流德耳塔IL。德耳塔IL主要由E=Ldi/dt決定。此處的E是開關關閉時電感上的電壓(輸入電壓減輸出電壓)，di是德耳塔IL，dt與開關頻率成反比。德耳塔IL實際上是個多余部分，它流過輸出電容器、二極管并產生噪聲，并在開關開通時為開關造成額外的損失。為一個給定的設計選擇電感，完全是在德耳塔IL、噪聲有損失之間進行平衡。但有一件事是明確的：對于給定的輸入與輸出電壓，開關頻率是決定電感值的主要因素。開關頻率越高，即dt越低，則電感越小。
不幸的是，提高開關頻率會造成很大的負作用。主要是DC-DC轉換器的效率會下降。這個理由很簡單。開關利用一定的能量來開和關。這部分能量其實是一種損失，因此每秒開關次數(shù)越多，能量損失越大，總體效率就越低?？刂七@種“損失”是提高開關頻率的關鍵。
今天流行的DC-DC轉換器針對工作頻率為1-3MHz的移動產品。在1Mhz的開關頻率下，通常需要使用4.7uH的電感，頻率為3-4MHz時電感可以降到1-1.5uH左右。圖3所示為電感尺寸與移動產品開關頻率的關系?？梢钥吹剑瑸榱私咏cLDO相當?shù)某叽?，電感需要小?uH。這樣就可以把開關頻率設定在6MHz以上。最先進的500mA 0.47uH 電感采用0805外殼尺寸，高度為0.55mm。
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圖2。DC-DC轉換器運行情況簡圖 |
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圖3 典型移動DC-DC轉換器中的電感尺寸與開關頻率的關系 |
高頻開關面臨的挑戰(zhàn)
我們前面講過，與高頻開關有關的損耗會增加。圖4所示為采用2.2uH電感處于傳統(tǒng)的2MHz頻率下的DC-DC轉換器的損耗，以及采用0.47uH電感頻率為8MHz時的損耗。
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圖4 2MHz及8MHz開關頻率下DC-DC轉換器的損耗 |
可以明顯看出，在傳統(tǒng)的移動DC-DC頻率2MHz，開關引起的損耗僅占總體損耗的20%左右。總體損耗約為200mA，是移動器件的典型輸出電流。但在8MHz時，開關損耗會上升到40%以上。降低開關損耗是能夠在高頻開關的關鍵，也是能夠集成到封裝之中的小型電感的前提。
建議解決方案
Micrel公司推出了它的第一代“L Free”DC-DC轉換器，首款產品是MIC3385。它的開關頻率是8MHz，電感集成到3mm x 3mm MLF封裝之中。在設計時考慮到降低開關損耗，從而使開關損耗上升導致的效率損失最小。圖6所示為MIC3385的簡化結構圖，圖7為實際尺寸。
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圖6 MIC3385 “L Free”DC-DC轉換器的結構簡圖 |
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圖7 MIC3385在3mmx3mm MLF封裝中集成了“L-Free”DC-DC轉換器 |
如前所述，MIC3385經過優(yōu)化，可以在較高的頻率上開關而且電感值較低。圖8顯示了結構相同的2MHz轉換器與8MHz頻率的MIC3385的效率。從中可見，在200mA電流上效率只下降4%。這對于顯著降低設計的尺寸和復雜性來產，是可以接受的折衷。
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圖8 MIC3385與MIC2205的效率比較 |
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圖9 5us之內，從100uA到20mA然后到300mA的負載瞬變條件下，MIC3385與傳統(tǒng)的移動DC-DC轉換器的比較 |
DC-DC轉換器的電感在運行和開關時產生磁場。設計時必須考慮電感的安置，以避免引起干擾。例如，把電感安置在敏感的音頻元件附近，可能引起有害的干擾。把它放置在功率放大器附近，則可能降低器件的靈敏度并導致兼容問題.電感越大，這些問題越難以控制。MIC3385的電感較小，安放位置盡可能接近DC-DC裸片。這使高頻功率回路盡可能地短，與具有外部電感的低頻DC-DC相比，降低了EMI噪聲。這與直覺有點矛盾，因為一般認為較高的頻率會產生較大的噪聲。
總結
結果顯示，第一代8MHz開關頻率的DC-DC轉換器是可行的，提供了一種有益的解決方案，在移動設計中受到歡迎。該設計顯示出低噪聲、快速瞬態(tài)響應和高效率，所有這些優(yōu)點都使DC-DC轉換器更接近LDO解決方案。
隨著移動設備的功率和尺寸要求繼續(xù)加強，市場中將出現(xiàn)更多的集成器件。
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