便攜式電池供電應(yīng)用中的DC/DC功率轉(zhuǎn)換

引言
便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品小型化的趨勢繼續(xù)在業(yè)界發(fā)展，隨之而來的便是電池及其相應(yīng)容量可用空間不斷下降。同時(shí)，開發(fā)商業(yè)上可行的、能量密度更高從而補(bǔ)償電池空間降低的電池化學(xué)技術(shù)的相關(guān)工作則大幅減慢，這對工程師提出了許多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，要求他們開發(fā)的解決方案既能實(shí)現(xiàn)更多的功能，又能保證更長的操作與待機(jī)時(shí)間。
因此，高效電源管理就成為電子設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的因素。有三個(gè)設(shè)計(jì)考慮用以解決功效問題。首先，電池管理技術(shù)可提供工作時(shí)間長的電池；其次，處理器與外設(shè)等耗電系統(tǒng)組件管理可根據(jù)所需的系統(tǒng)性能進(jìn)行功耗管理；第三，功率轉(zhuǎn)換過程本身也能將變化的電池電壓轉(zhuǎn)換為幾個(gè)恒定的系統(tǒng)電壓。
本文將討論上述第三種設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的有關(guān)問題，并探討實(shí)現(xiàn) DC/DC 高效轉(zhuǎn)換的現(xiàn)有技術(shù)以及相應(yīng)的效率、空間和成本的綜合衡量考慮等問題。

功率轉(zhuǎn)換需求
目前，許多便攜式應(yīng)用都采用鋰離子電池，這種電池在所有化學(xué)充電電池技術(shù)中提供了最高的能量密度，從而使電池的外形縮小。移動(dòng)電話中單電池的電壓從滿到空通常在 4.2V~2.7V 之間，大部分放電周期中的電壓約為 3.7V。便攜式 DVD 播放機(jī)中串聯(lián)電池雙配置的電壓范圍為 8.4V~5.4V。單個(gè)堿性電池電壓范圍為 1.5V~0.9V。許多應(yīng)用要求幾個(gè)電壓軌來支持多種系統(tǒng)組件。常見的電壓軌為：針對處理器內(nèi)核的低于 1V 的電壓軌，針對存儲器的  2.5V 與 3.3V 電壓軌，針對擴(kuò)展接口(如 Compact Flash 或 USB)的 5V 電壓軌，以及針對 LCD 偏置電壓或白色LED背光電路系統(tǒng)且超過 20V 的電壓軌。根據(jù)應(yīng)用所需各種因素的綜合考慮，可得到幾種功率轉(zhuǎn)換備選方案。

LDO 穩(wěn)壓器
將電壓降至下一級的最簡單方法就是使用 LDO穩(wěn)壓器。LDO 根據(jù)負(fù)載電阻調(diào)節(jié)其調(diào)整元件(如 PMOS 晶體管)的內(nèi)阻，從而在穩(wěn)壓器輸出提供恒定電壓。由于 LDO 采取線性調(diào)節(jié)方案，因此幾乎沒有輸出紋波，從而非常適用于對供給音頻放大器、RF 電路系統(tǒng)或攝像機(jī) CCD 感光器的“噪聲”開關(guān)模式穩(wěn)壓輸出進(jìn)行后置濾波。應(yīng)特別注意噪聲以及電源抑制比 (PSRR) 的有關(guān)規(guī)范，這點(diǎn)非常重要。轉(zhuǎn)換效率由輸出電壓與輸入電壓之比決定。LDO 在 3.7 V 上生成 3.3 V 存儲器軌時(shí)效率高達(dá) 89%，但在相同電池的 3.7 V 軌上生成 1.1 V 內(nèi)核電壓時(shí)效率就會大幅下降至 29%。這就意味著輸入穩(wěn)壓器的功率有 71% 都作為熱量散發(fā)了。功率損耗的概略值可由輸入/輸出電壓差與通過線性調(diào)整元件電流的乘積獲得。這里應(yīng)考慮在何種應(yīng)用中使用 LDO，這點(diǎn)相當(dāng)重要。如果成本與尺寸是最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)因素，那么對電流需求低于 2A且輸入/輸出電壓差較低的應(yīng)用而言，線性穩(wěn)壓器將是最佳選擇。
LDO 通常只需要一個(gè)低成本的陶瓷輸入/輸出電容，它可支持很小的解決方案操作。但是，技術(shù)還在不斷發(fā)展。目前采用的凸起芯片級等超薄封裝的線性穩(wěn)壓器擴(kuò)展了 LDO 自身的優(yōu)勢，利用其解決方案尺寸很小的特點(diǎn)，只需要幾個(gè)平方毫米的面積就能實(shí)現(xiàn)超小型解決方案。新式穩(wěn)壓器甚至通過先進(jìn)的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)取消了輸入/輸出電容器，從而進(jìn)一步減小了解決方案的尺寸。圖 1 顯示了安裝在 3