降壓型轉(zhuǎn)換器在手持產(chǎn)品中的應(yīng)用

新一代便攜式消費類產(chǎn)品中集成了越來越多的功能，功能的增多有利于吸引用戶、提高銷售量。但是，隨著用戶對更小尺寸、更長電池壽命的期盼，系統(tǒng)設(shè)計人員也將面臨更大的挑戰(zhàn)。每種新增功能都需要額外的空間、消耗額外的功率，留給電池的空間將會更小，對電源的要求更高，也就是說，需要電源在更小的空間內(nèi)以更高的效率提供更大的電流。

近兩年，大多數(shù)手持產(chǎn)品采用一路降壓轉(zhuǎn)換器（ｂｕｃｋ）和多路低壓差線性穩(wěn)壓器（ＬＤＯ）方案，有些設(shè)計則只采用線性穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)。這種方案能夠提供良好的工作性能，由于大多數(shù)處理器采用３．０Ｖ或３．３Ｖ供電，在單節(jié)Ｌｉ＋電池供電的情況下，ＬＤＯ可以提供適當?shù)霓D(zhuǎn)換效率。但是，隨著對處理器功耗的更高要求和ＩＣ生產(chǎn)工藝向更小的亞微米技術(shù)的發(fā)展，微處理器的核電壓已降低到１．８Ｖ、１．５Ｖ、１．３Ｖ甚至０．９Ｖ。另外，典型的Ｉ／Ｏ電壓也從３．３Ｖ降至２．５Ｖ或１．８Ｖ。電壓的降低大大降低了ＬＤＯ的效率，其產(chǎn)生的熱量抵消了低電壓核和Ｉ／Ｏ口帶來的好處。為了保持較高的效率，設(shè)計人員不得不考慮選用ｂｕｃｋ轉(zhuǎn)換器。另外，許多系統(tǒng)內(nèi)部采用了多個處理器（例如蜂窩電話與ＰＤＡ的組合），其中包含一個基帶處理器和一個應(yīng)用處理器，這些處理器需要單獨的供電電源。手機和ＰＤＡ上使用的相機模塊傾向于采用ＬＤＯ供電，但相關(guān)的圖形處理器常常要求更低的電源電壓。這樣一來，在多功能設(shè)計中，常常要用到多路ｂｕｃｋ電源。現(xiàn)在在一個ＰＣＢ板上安裝三路ｂｕｃｋ電源已經(jīng)不是一件罕見的事情。

圖1

最新推出的定制電源管理芯片（ＰＭＩＣ）已經(jīng)集成了一路或多路ｂｕｃｋ轉(zhuǎn)換器，但這些產(chǎn)品還常常不足以滿足用戶的要求。每增加一項新的功能，就有可能需要另外一路ｂｕｃｋ電源或需要提高ｂｕｃｋ電源的驅(qū)動能力，只有那些能夠迅速采用分立電源ＩＣ來滿足新設(shè)計需求的制造商才能保持其產(chǎn)品性能與市場需求同步增長。就目前的設(shè)計水平而言，要想在系統(tǒng)中增添一個ｂｕｃｋ轉(zhuǎn)換器不僅需要增加成本，而且要占用一定的線路板面積。三年前的ｂｕｃｋ轉(zhuǎn)換器封裝尺寸為１５ｍｍ２，可工作在１ＭＨｚ或更低的開關(guān)頻率，需要較大尺寸的外部電感和鉭電容。而近期推出的ＴＤＦＮ封裝１ＭＨｚ ｂｕｃｋ轉(zhuǎn)換器的尺寸已降至９ｍｍ２，且外部可以使用陶瓷電容和小尺寸電感，但它的尺寸還是遠遠大于ＬＤＯ。先進的亞微米ＢｉＣＭＯＳ混合信號處理工藝是解決尺寸問題的關(guān)鍵技術(shù)，它能夠進一步縮小電源ＩＣ的尺寸，提高其工作頻率，從而使其能夠選用更小尺寸的外部元件。許多ＩＣ制造商已經(jīng)能夠提供２ＭＨｚ甚至更高頻率的電源ＩＣ，同時也采用了更小的封裝。圖１所示是ＬＤＯ、１ＭＨｚ Ｂｕｃｋ轉(zhuǎn)換器和ＭＡＸＩＭ公司４ＭＨｚ Ｂｕｃｋ轉(zhuǎn)換器的比較示意圖?？梢钥闯觯海停幔椋硭峁┑模矗停龋?ｂｕｃｋ轉(zhuǎn)換器（ＭＡＸ８５６０）的尺寸幾乎與ＬＤＯ一樣??！但可采用更高的工作頻率，同時允許使用微型電感（如：Ｔａｉｙｏ Ｙｕｄｅｎ的ＣＢ２０１２系列，０８０５封裝）。從目前１ＭＨｚ 和４ＭＨｚ ｂｕｃｋ轉(zhuǎn)換器的制造工藝進展情況看，４ＭＨｚ ｂｕｃｋ轉(zhuǎn)換器的效率要比１ＭＨｚ ｂｕｃｋ轉(zhuǎn)換器的效率低，因為較高的開關(guān)頻率將產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗，而微型電感也存在較大的磁芯損耗。圖２所示是Ｂｕｃｋ轉(zhuǎn)換器效率與負載電流的關(guān)系曲線。值得慶幸的是，１ＭＨｚ和４ＭＨｚ的Ｂｕｃｋ轉(zhuǎn)換器效率差別并不大，而且，它們的效率遠遠高于ＬＤＯ（４１％）。

從上述分析可以看出，系統(tǒng)電源設(shè)計有三種選擇方案：一是小尺寸，二是高效率，三是小尺寸加高效率。設(shè)計時可以在電池壽命和系統(tǒng)物理尺寸之間進行權(quán)衡。由于第三種方案能夠在不明顯增大線路板尺寸的前提下大大提高電源的轉(zhuǎn)換效率，因而理所當然地成為多功能便攜式消費類產(chǎn)品的優(yōu)選方案。此外，考慮到ｂｕｃｋ轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的熱量極低，它不需要考慮散熱問題，因此，有可能以更小的尺寸取代ＬＤＯ。