便携设备中供电电路的综合考虑

楼主 DC 于 2006-11-15 11:29:12
便携设备中供电电路的综合考虑
作者：栾成强
来源：电子产品世界
在便携设备和无线产品的设计中，设计人员常常面临如何提高产品性能、进一步延长电池工作时间的挑战，由于对成本和体积的要求比较苛刻，设计中会牺牲系统的某些指标而采取一些折衷的解决方案。新型供电电路的出现弥补了以上设计中的不足，能够保证系统高可靠性、高性能指标的要求，并有效地延长电池寿命。供电电路的主要参数有成本、效率（电池寿命）、输出纹波、噪声及静态电流。表一列出了这些参数与电路结构、输入输出电压范围的相互关系，下面我们就结合表一，进一步阐述这些电路结构的特点。

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      表一供电电路特性与电路结构和输入（Vin）输出（Vout）电压的关系

一．低压差（LDO）线性稳压器
  低压差线性稳压器的突出优点是具有最低的成本，最低的噪声和最低的静态电流。它的外围器件也很少，通常只有一两个旁路电容。新型LDO 可达到以下指标：30μV 输出噪声、60dB PSRR、6μA 静态电流及100mV 的压差。LDO 线性稳压器能够实现这些特性的主要原因在于内部调整管采用了P 沟道场效应管，而不是通常线性稳压器中的PNP 晶体管。P 沟道的场效应管不需要基极电流驱动，所以大大降低了器件本身的电源电流；另一方面，在采用PNP 管的结构中，为了防止PNP 晶体管进入饱和状态降低输出能力，必须保证较大的输入输出压差；而P 沟道场效应管的压差大致等于输出电流与其导通电阻的乘积，极小的导通电阻使其压差非常低。
       当系统中输入电压和输出电压接近时， LDO 是最好的选择，可达到很高的效率。所以在将锂离子电池电压转换为3V 电压的应用中大多选用LDO，尽管电池最后放电能量的百分之十没有使用，但是LDO 仍然能够在低噪声结构中提供较长的电池寿命。

  二．电荷泵
  基本的电荷泵电路成本较低，它的最大优点是无需电感，外围电路只需几个电容，体积较小,能够提供百分之九十五的效率；固定开关频率时产生较大的噪声和静态电流。另外，这种结构的输出电压只能是输入电压的倍数，利用四个内部开关和一个外部飞电容（flying capacitor）能够获得输入电压的2 倍、1/2 倍或-1 倍输出；也可以使用多级结构获得其它倍数的电压，但成本和静态电流也会增加，所以，在传统的设计中，电荷泵结构很少与电池直接相连，而是用于产生系统的辅电源，为小电路模块或某一器件供电。但从目前的发展趋势看， 新型的电荷泵输出电流越来越大，而便携式产品的功耗则越来越低，所以有些产品选用电荷泵做系统的主电源。

 1．电荷泵+LDO
   为了克服电荷泵电路固有的缺陷，某些新型电源将电荷泵与LDO 相结合，这种结构可以得到任意的输出电压，而且降低了输出噪声，但效率也相应有所下降，下降幅度与输入输出电压有关，例如两节NiMH 电池转换为3V 的效率是3V/。这里还没有考虑电荷泵自身的效率损耗，LDO 的输出电压与电荷泵倍压输出越接近，这种结构的效率越高。

 2．电荷泵稳压器
   新型电荷泵稳压器采用PFM 或PWM 方式，内部电路不需要LDO。与电荷泵+LDO 方式相比，新型PFM 方式的电荷泵具有低成本、低静态电流等特点，但输出噪声略有增加、两种电路的效率基本相同。如果改变倍乘因子可以改善转换效率。例如转换两节碱性电池到5V，新电池时使用两倍压，而电池电压低于2.5V 时使用3 倍压。升降压应用中，开始时使用降压而后来使用两倍升压，可以改善效率。但是半导体行业很少采用这样复杂的电荷泵稳压器。
  电荷泵稳压器在主电源和后备电源中都十分有用，最新的电荷泵稳压器能够提供250mA 的输出电流，非常适合低功耗的应用。它能够产生存储器所需要的编程电压，为GaAs 射频功率放大器产生非常稳定的负偏置电压等。

 三．DC-DC 转换器
DC-DC 转换器包括升压、降压、升/降压和反相结构，具有高效率、高输出电流、低静态电流等特点，随着集成度的提高，许多新型DC-DC 转换器的外围电路仅需电感和滤波电容；但该类电源控制器的输出纹波和开关噪声较大、成本相对较高。
 近几年随着半导体技术的发展，表面贴装的电感、电容、以及高集成度的电源控制芯片的成本也不断降低，体积越来越小。低导通电阻的场效应管省去了外部大功率场效应管，例如对于3V 的输入电压，利用片内N 沟道场效应管可以获得5V/2A 的输出。对于中小功率的应用可以使用小型低成本封装。另外，高达1MHZ 的开关频率能够降低成本、减小外部电感/电容的尺寸。某些新器件还增加许多新功能，如软启动、限流、PFM 或者PWM 方式选择等。

  1．DC-DC 降压转换器
 几乎所
有的降压型DC-DC 转换器都比LDO 的效率要高，当输入电压高于输出电压很多时更是如此，例如，将锂离子电池转换成1.8V 输出。最新的降压型DC-DC 转换器内置同步整流器和场效应开关管，不仅提高了转换效率，而且外部仅仅需要一个电感，简化了设计。由于这种结构能够达到百分之百的占空比，可实现很低的压差。通常PFM 方式的降压型DC-DC 转换器输出纹波和噪声较大，而静态工作电流较小；PWM 方式的降压型DC-DC 转换器的输出纹波和噪声较小，但静态工作电流较大。
   在输入电压远远高于输出电压的应用中，为达到高效率、低噪声的指标要求，有些降压型DC-DC 控制器还内置了LDO。

 2．DC-DC 升压转换器
   升压转换器是LDO 无法取代的，尽管电荷泵稳压方式可以实现升压功能，但效率较低，输出电流较小。因为升压转换器的输出纹波和开关噪声较大，需要选择好的控制结构以消除振荡噪声和开关场效应管引起的效率损失。
   最新的升压型DC-DC 转换器（图1中的IC）同样内置同步整流管和开关管，实现了高效率、低功耗、小体积、多功能等特性。目前，便携式产品的工作电流范围越来越宽，这就要求单个IC 能够实现多种控制算法，图1中的IC 包含低噪声的PWM 工作方式和低工作电流的PFM 方式，可以提供很宽的负载电流，控制方式的改变可以瞬间完成而不会造成输出中断。如果采用外部同步时钟可以减小开关对系统尤其是射频系统的影响。图1中的IC 利用一个瞬时接通按钮进行通断控制，实现对电源的开关，提高可靠性，减小体积。
   将升压型DC-DC 转换器与LDO 相结合可实现两个功能，即低噪声升压和高效率的升降压。典型的升降压应用是从锂离子电池得到3.3V，因为电池的大部分工作时间是3.6V，这时升压转换器待机，而LDO 工作，所以效率非常高，与传统的SEPIC 方式相比可以使用更小的外围器件。现在已经有几种这样结构的单片解决方案（如图1中的IC）。
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3．DC-DC 升降压H-桥式转换器
  为了进一步提高升降压型转换器的效率，可选用H—桥式转换器，这种结构需要一个电感，两个功率场效应管开关和两个整流二极管，目前这些外围器件和控制结构的成本仍然较高，而且外部开关损耗也限制了它的效率的提高，特性指标有待于进一步完善，随着集成工艺的发展，这种结构的应用会越来越多。
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