低電壓數(shù)字系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)技術(shù)

1 采用低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)
低壓差線性穩(wěn)壓器的突出優(yōu)點(diǎn)是具有最低的成本、最低的噪聲和最低的靜態(tài)電流。它的外圍器件也很少，通常只有一兩個(gè)旁路電容。與傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器相比，它的最大優(yōu)點(diǎn)是輸入輸出壓差很低。如78xx系列都要求輸入電壓要比輸出電壓高2～3V以上，否則不能正常工作?？墒?V到3．3V的電壓差只有1.7V，所以78xx系列已經(jīng)不能夠滿足3．3V或2.5V的電源設(shè)計(jì)要求。面對(duì)這類需求，許多電源芯片公司推出了Low Dropout Regulator，即低壓差線性穩(wěn)壓器，簡(jiǎn)稱LDO。當(dāng)系統(tǒng)中輸入電壓和輸出電壓接近時(shí)，LDO是最好的選擇，可達(dá)到很高的效率。這種電源芯片的壓差只有1.3～0.2V，可以實(shí)現(xiàn)5V轉(zhuǎn)3.3V／2.5V、3.3V轉(zhuǎn)2.5V／1.8V等要求。生產(chǎn)LDO的公司很多，常見(jiàn)的有：Maxim、Linear(LT)、Nationa1 Semiconductor、TI等。
采用MAX8515作為穩(wěn)壓器，利用一個(gè)外部NPN晶體管和幾只阻容元件可以方便地構(gòu)成低成本、小尺寸的低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)，如圖1所示。該電路輸入電壓范圍為1.2-2.5V，輸出電壓為IV。MAX8515的電源電壓不同，R1的阻值就不同。輸出電流可達(dá)2A。

改變分壓電阻R2、R3可以調(diào)節(jié)輸出電壓?？蓞⒖际?1)選擇R2和R3的值。

為保證能提供足夠的負(fù)載電流，可參考式(2)選擇電阻R1。

出于便攜式電子產(chǎn)品布局布線的限制、對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用及數(shù)碼相機(jī)模塊需要特殊電壓等原因，分立的LDO仍在市場(chǎng)上頑強(qiáng)生存。LDO的發(fā)展方向，首先是高效率，其次是不可避免地朝多功能集成方向發(fā)展，甚至被集成到PMU中。如AATI推出的AAT3223，集成了PowerOK功能，可監(jiān)測(cè)LDO輸出電壓，能在輸出低于壓范圍時(shí)報(bào)警；同時(shí)還提供了省電引腳，引腳電壓降抵時(shí)可使LDO進(jìn)入關(guān)閉模式，從而延長(zhǎng)電池壽命。又如安森美推出的以PWM和LDO雙模式工作的NCPl 501，在輕載下可由PWM模式轉(zhuǎn)為L(zhǎng)DO模式工作，1.8V下的效率為90％以上。

2采用電感開關(guān)型DC／DC轉(zhuǎn)換器
電感開關(guān)型DC／DC轉(zhuǎn)換器又稱為開關(guān)型穩(wěn)壓器，包括升壓、降壓、升／降壓和反相等幾種結(jié)構(gòu)，具有高效率、高輸出電流、低靜態(tài)電流等特點(diǎn)。隨著集成度的提高，許多新型DC-DC轉(zhuǎn)換器的外圍電路僅需電感和濾波電容，但該類電源控制器的輸出紋波和開關(guān)噪聲較大、成本相對(duì)較高。
近幾年隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，表面貼裝的電感、電容以及高集成度的電源控制芯片的成本也不斷降低，體積越來(lái)越小。低導(dǎo)通電阻的場(chǎng)效應(yīng)管省去了外部大功率場(chǎng)效應(yīng)管，例如對(duì)于3V的輸入電壓，利用片內(nèi)溝道場(chǎng)效應(yīng)管可以獲得5V／2A輸出。對(duì)于中小功率的應(yīng)用可以使用小型低成本封裝。另外，高達(dá)lMHz的開關(guān)頻率能夠降低成本、減小外部電感／電容的尺寸。某些新器件還增加許多新功能，如軟啟動(dòng)、限流、PFM或者PWM方式選擇等。
LTC3441是一種大電流微功率同步降壓一升壓DC／DC轉(zhuǎn)換器。它通過(guò)對(duì)輸出開關(guān)的正確調(diào)相使輸入電壓可以．高于、低于或等于輸出電壓，并且這三種條件下操作模式的切換是連續(xù)的，所以該器件的輸出電壓總是能滿足應(yīng)用要求，是在單節(jié)鋰離子電池應(yīng)用中的理想選擇。LTC3441能在效率高達(dá)95%的情況下提供最高1A的輸出電流。LTC344l的工作頻率在出廠時(shí)被調(diào)到1MHz。在該器件的MODE／SYNC引腳施加一個(gè)兩倍于期望開關(guān)頻率的外部時(shí)鐘(2.3MHz～3.4MHz)，振蕩器可以與之同步，同步頻率范圍是1.15MHz～1.7MHz。LTC3441所進(jìn)行的高頻操作允許采用表面貼裝的電感器。為了獲得高效率，電感器最好采用高頻磁芯材料以減小磁芯損耗由于V1N為電源輸入引腳，應(yīng)用時(shí)最好在該腳布置一個(gè)至少4.7uF的低ESR旁路電容器。LTC3441的典型應(yīng)用電路如圖2所示。

3 采用電容電荷泵型DC―DC轉(zhuǎn)換器
電容電荷泵型DC―DC轉(zhuǎn)換器常用于倍壓或反壓型DC―DC轉(zhuǎn)換。電荷泵電路采用電容作為儲(chǔ)能和傳遞能量的中介。隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步，新型電荷泵電路的開關(guān)頻率可達(dá)1 MHz。電荷泵有倍壓型和反壓型兩種基本電路形式。
基本的電荷泵電路成本較低。它的最大優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需電感，外圍電路只需幾個(gè)電容，體積較小，能夠提供95％的效率，固定開關(guān)頻率時(shí)產(chǎn)生較大的噪聲和靜態(tài)電流。另外，這種結(jié)構(gòu)的輸出電壓只能是輸入電壓的倍數(shù)，利用四個(gè)內(nèi)部開關(guān)和一個(gè)外部飛電容(flylng capacitor)能夠獲得輸入電壓的2倍、1／2倍或一l倍輸出，也可以使用多級(jí)結(jié)構(gòu)獲得其它倍數(shù)的電壓，但成本和靜態(tài)電流也會(huì)增加。所以，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，電荷泵結(jié)構(gòu)很少與電池直接相連，而是用于產(chǎn)生系統(tǒng)的輔電源，為小電路模塊或某一器件供電；但從目前的發(fā)展趨勢(shì)看，新型的電荷泵輸出電流越來(lái)越大，而便攜式產(chǎn)品的功耗則越來(lái)越低，所以有些產(chǎn)品選用電荷泵做系統(tǒng)的主電源。
為了克服電荷泵電路固有的缺陷，將電荷泵與LDO相結(jié)合，可以得到任意的輸出電壓，而且降低了輸出噪聲，但效率也相應(yīng)有所下降，下降幅度與輸入輸出電壓有關(guān)。新型電荷泵穩(wěn)壓器采用PFM或PWM方式，內(nèi)部電路不需要LDO。與電荷泵+LDO結(jié)構(gòu)相比，新型PFM方式的電荷泵具有低成本、低靜態(tài)電流等特點(diǎn)，但輸出噪聲略有增加、兩種電路的效率基本相同。如果改變倍乘因子可以改善轉(zhuǎn)換效率。例如轉(zhuǎn)換兩節(jié)堿性電池到5v，新電池時(shí)使用兩倍壓，而電池電壓低于2.5V時(shí)使用3倍壓。升降壓應(yīng)用中，開始時(shí)使用降壓而后來(lái)使用兩倍升壓，可以改善效率。
TPS6012x和TPS6013x是美國(guó)德州儀器公司推出的一種升壓穩(wěn)壓的電荷泵型DC―DC：轉(zhuǎn)換器，具有可調(diào)整的電壓轉(zhuǎn)換比例、更低的成本、更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)以及更少的電磁干擾等特點(diǎn)。TPS6012x可以接受兩個(gè)堿性電池、鎳鎘電池或鎳錳氫電池所提供的范圍在1 8～3.6V之間的輸入電壓，產(chǎn)生3 3(1O．04)v的輸出電壓以及200mA的最大輸出電流。其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)90％，待命狀態(tài)下所需的電流只有60 μA。TPS6013x可以接三個(gè)堿性電池、鎳鎘電池、鎳錳氫電池或是一個(gè)鋰離子電池所提供的范圍在2.7～5 4v之間的輸入電壓，產(chǎn)生5.0(10 04)V的輸出電壓；而輸出電流隨元件型號(hào)不同有150mA和300mA兩種。與其它直流電壓轉(zhuǎn)換器采用的電感器不同，它們使用電容器來(lái)儲(chǔ)存電荷，避免了電磁干擾帶來(lái)的復(fù)雜問(wèn)題。TPS6012x和TPS6013x只需要4個(gè)低價(jià)的外部電容，降低了整體系統(tǒng)成本。它們還提供“脈沖跳躍”的省電工作模式及“邏輯關(guān)機(jī)”工作模式。后者可把供應(yīng)電流降低到O.05 μA，并且將電池與負(fù)載完全切斷。
TPS60130的典型應(yīng)用如圖3所示。

LDO穩(wěn)壓器為電流輸出要求較低的應(yīng)用提供了體積小且價(jià)廉的解決方案，而電感開關(guān)型DC-Dc轉(zhuǎn)換器能保證高得多的電源轉(zhuǎn)換效率，如果延長(zhǎng)電池壽命是頭等要求，則是合理的選擇。電容電荷泵型Dc―Dc轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率比相同檔次的電感開關(guān)型Dc-Dc轉(zhuǎn)換器要低，但是成本也低。在設(shè)計(jì)低電壓數(shù)字系統(tǒng)的電源時(shí)，開發(fā)者要在系統(tǒng)整體方案的成本、體積、噪聲和效率之間進(jìn)行l(wèi)
折衷。
總體而言，低電壓、大電流、高效率、小尺寸、低成本是DC―DC轉(zhuǎn)換器發(fā)展的趨勢(shì)。從技術(shù)上看，零電流零電壓開關(guān)、平面變壓器原理、同步整流、超高開關(guān)頻率、開放式結(jié)構(gòu)等新型技術(shù)的應(yīng)用，使得更高性能價(jià)格比的電源轉(zhuǎn)換芯片不斷出現(xiàn)。