電源管理集成電路

引言
隨著業(yè)界對最終產(chǎn)品系統(tǒng)的小型化和更加纖巧體積的持續(xù)進(jìn)展，以及為系統(tǒng)集成電路中融入越來越多的功能所做的努力，人們迫切需要可使用更少外部元件和以更快的響應(yīng)時(shí)間處理負(fù)載波動(dòng)的電源集成電路。為了滿足電源集成電路的這種需求，現(xiàn)在瑞薩科技公司已開發(fā)出一種新型DC-DC轉(zhuǎn)換器技術(shù)。
本文將介紹瑞薩科技的這種新技術(shù)和快速響應(yīng)技術(shù)。同時(shí)介紹各種電源集成電路的演變。

用于數(shù)碼相機(jī)的寬頻帶DC-DC轉(zhuǎn)換器技術(shù)
為了滿足數(shù)碼相機(jī)進(jìn)一步小型化和更加纖巧體積的需要，瑞薩科技開發(fā)出了一種可以使相位補(bǔ)償電阻器和電容器集成在集成電路內(nèi)的新技術(shù)，這是通過加大DC-DC轉(zhuǎn)換器集成電路的帶寬實(shí)現(xiàn)的。
圖1顯示了一個(gè)傳統(tǒng)的DC-DC轉(zhuǎn)換器的方框圖（a）及其波德圖（b）。

圖1  傳統(tǒng)的DC-DC轉(zhuǎn)換器方框圖和波德圖
電感器（L）和電容器（C）是二級延遲元件，它們在高頻條件下可將相位延遲180度。
放大器和反饋電路也是延遲元件，而在高頻條件下為整個(gè)系統(tǒng)引入270度或更大的相位延遲。這樣就難以獲取足夠的相位裕度并使DC-DC轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定的工作。
在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，放大器頻率特性可因帶寬的減少而下降。fT與fp1更加接近，以保證足夠的相位邊緣和穩(wěn)定性（這種技術(shù)被稱為相位補(bǔ)償）。
雖然相位補(bǔ)償可以穩(wěn)定DC-DC轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行，但是由于頻帶變窄了，響應(yīng)特性就會(huì)隨之下降。
還有一些問題，例如構(gòu)成相位補(bǔ)償電路需要比較多的電阻器和電容器。
因此，在目前的數(shù)碼相機(jī)電源設(shè)計(jì)中，相位補(bǔ)償電路的穩(wěn)定可以盡可能地使頻率特性加寬，以避免上述問題的出現(xiàn)。
然而，由于相位邊緣的減小，以及取決于應(yīng)用條件的不當(dāng)操作等問題的發(fā)生，將會(huì)減小振蕩邊緣。這是系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)困難的原因之一。
如果將電阻器和電容器強(qiáng)行集成在集成電路中，而沒有進(jìn)行仔細(xì)的斟酌，元件值的變化將很可能導(dǎo)致fT的波動(dòng)，這將會(huì)影響電源的穩(wěn)定性。因此，將這些元件集成在集成電路上是很困難的。
在瑞薩科技開發(fā)的新技術(shù)中增加了反饋電路2，而去掉了用于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的反饋電路1（見圖2）。

圖2  寬頻帶反饋放大器方框圖
反饋電路2有一個(gè)高通濾波器結(jié)構(gòu)，利用它可以增加頻率的反饋量。
因?yàn)槭孪却┻^電感器和電容器的信號被反饋回來，這個(gè)信號不會(huì)受到電感器和電容器相位延遲的影響。因此，即使增加頻率特性也可以保證足夠的相位裕度，因此有可能在一個(gè)寬頻帶條件下實(shí)現(xiàn)電源的穩(wěn)定性。
圖3顯示了采用新技術(shù)的DC-DC轉(zhuǎn)換器的頻率特性。

圖3  采用新技術(shù)的DC-DC轉(zhuǎn)換器的TBC頻率特性
當(dāng)fT約為180kHz時(shí)，相位裕度約為28度。
這樣，我們就能夠證實(shí)，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，這種新技術(shù)在帶寬方面提高了五倍，而且可以保證足夠的相位裕度效果。
這個(gè)結(jié)果表明，采用這種新技術(shù)可以將相位補(bǔ)償電阻器和電容器集成在集成電路上，可比傳統(tǒng)技術(shù)減少60%的外部元件數(shù)目，節(jié)省大約40%的安裝面積。
進(jìn)而，增加頻寬可改善負(fù)載波動(dòng)的輸出電壓響應(yīng)特性，并有可能以比傳統(tǒng)技術(shù)更小的電壓波動(dòng)實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)。
圖4顯示了采用新技術(shù)的DC-DC轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應(yīng)特性。當(dāng)負(fù)載電流從50mA到550mA變化時(shí)，這一新技術(shù)可將輸出電壓波動(dòng)頻帶保持在44mV的低值上。

 
圖4  采用新技術(shù)的DC-DC轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應(yīng)特性
現(xiàn)在，瑞薩科技正在開發(fā)和使用這種新技術(shù)，R2A20010LG 8通道DC-DC轉(zhuǎn)換器就是可用于數(shù)碼相機(jī)的產(chǎn)品。

用于便攜式設(shè)備的DC-DC轉(zhuǎn)換器
瑞薩科技目前正在努力開發(fā)用于數(shù)碼相機(jī)的多通道DC-DC轉(zhuǎn)換器，以及用于便攜式設(shè)備DC-DC轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成電路的超小型負(fù)載點(diǎn)（POL）產(chǎn)品。
瑞薩科技已經(jīng)發(fā)布集成了2個(gè)MOSFET的2通道DC-DC轉(zhuǎn)換器，即可提供升壓驅(qū)動(dòng)功能的型號M62205FP，以及集成了5個(gè)MOSFET、可使用單節(jié)電池的7通道同步整流型DC-DC轉(zhuǎn)換器M62299FP。
圖5  顯示了M62299FP的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖5  M62299FP的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
M62299FP可提供3個(gè)升壓通道、3個(gè)降壓通道和一個(gè)反向通道。它可提供以下一些主要功能：5通道內(nèi)置MOSFET；利用單反向通道支持變壓器更少的設(shè)計(jì)；一個(gè)高效的同步整流通道；低電壓工作（最低1.5V）支持單個(gè)鋰離子電池或兩個(gè)鎳氫電池運(yùn)行；四個(gè)獨(dú)立的序列控制。
系統(tǒng)的小型化和厚度的減少正在數(shù)碼相機(jī)中出現(xiàn)，而目前外部元件和更高效率的整合迫切需要DC-DC轉(zhuǎn)換器集成電路。
為了滿足這些需求，目前正在開發(fā)的8通道R2A20010LG包括3個(gè)采用了新技術(shù)的快速響應(yīng)通道，可以為DSP、存儲(chǔ)器、系統(tǒng)集成電路和其他有巨大和迅速的負(fù)載波動(dòng)的器件提供穩(wěn)定的電壓。R2A20010LG應(yīng)用實(shí)例示于圖6。
圖6  R2A20010LG應(yīng)用實(shí)例
R2A20101是驅(qū)動(dòng)DSP的最理想選擇，適用于需要高精度電壓控制的各種類型的存儲(chǔ)器進(jìn)行更低電壓的運(yùn)行，也適用于為今天采用精細(xì)工藝制造的集成電路提供電源。

PFC控制集成電路
現(xiàn)在，瑞薩科技正在開發(fā)可滿足全球諧波規(guī)范（包括國際規(guī)范、中國的強(qiáng)制性認(rèn)證、EN61000-3-2和JIS C61000-3-2）的控制PFC集成電路。
圖7顯示了使用瑞薩科技的集成電路在功率因數(shù)方面得到的改進(jìn)。
它顯示了三分之一及更高級的諧波電流，這些規(guī)范的目標(biāo)是使其降低到規(guī)定值以下。

圖7  采用PFC抑制諧波電流
瑞薩科技提供的是一個(gè)完整的產(chǎn)品系列，它是從PFC+PWM結(jié)合的集成電路HA16141和HA16158的開發(fā)開始的，還包括集成了外設(shè)電路的HA16174高性能PFC集成電路，以及源于HA16174的簡單功能PFC集成電路HA16178和其他產(chǎn)品。
瑞薩科技利用我們的快速響應(yīng)能力和高效技術(shù)，正在不斷開發(fā)最佳器件，以滿足各種相關(guān)應(yīng)用的功能和特性的需要。