性能接近線性穩(wěn)壓器的下一代移動(dòng)DC-DC轉(zhuǎn)換器

引言

今天的手機(jī)不斷向小型化和薄型化發(fā)展。技術(shù)尺寸方面的進(jìn)展是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，可以決定產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的命運(yùn)。同時(shí)，由于移動(dòng)器件的尺寸不斷變小，元件尺寸和元件數(shù)量也必須減小。元件的布置變得更加重要，抗干擾與低噪聲成為工程師工作的一部分。但是，有一些限制因素正在制約這種尺寸縮小的趨勢(shì)。第一個(gè)因素是手機(jī)每增加一個(gè)新特點(diǎn)，其功耗也要相應(yīng)增加。最明顯的例子是，10年前顯示屏的功耗不到50mW，今天已上升到150mW-200mW，預(yù)計(jì)幾年后將上升到300mW-500mW。此外，還有多媒體處理器、相機(jī)模塊、電視調(diào)諧器等等，很容易看到為什么手機(jī)的功耗不斷增加。不幸的是，電池技術(shù)跟不上這種需求的步伐，鋰離子的能量密度只增長(zhǎng)了一倍，從100Whr/Kg左右上升到了200Whr/kg左右，而手機(jī)功耗卻增長(zhǎng)了三倍。即使考慮到了密度方面的改善，今天普通電池的尺寸與前幾年一樣，甚至比前幾年還大，而通話時(shí)間和待機(jī)時(shí)間卻變短了?？紤]到所有這些因素，容易看出電源管理在今天的移動(dòng)產(chǎn)品中扮演著越來(lái)越重要的角色。

電源管理器件的類(lèi)型

作為一個(gè)例子，讓我們看看手機(jī)的心臟—基帶處理器的供電。傳統(tǒng)上手機(jī)的基帶處理器使用低壓降線性穩(wěn)壓器(LDO)供電。LDO的優(yōu)點(diǎn)是在各種條件下的輸出噪聲都很低，尺寸很小，外部元件較少，容易使用，而且不會(huì)在電池上產(chǎn)生可能影響其它元件的反射噪聲。LDO的缺點(diǎn)是效率通常低于DC-DC轉(zhuǎn)換器，而且效率隨著芯片組電壓要求的下降而下降，但電池電壓保持不變。隨著手機(jī)功能對(duì)于功率的需求不斷增加，許多設(shè)計(jì)師正在采用DC-DC轉(zhuǎn)換器來(lái)代替LDO，以提高效率和維持電池壽命。

DC-DC轉(zhuǎn)換器為設(shè)計(jì)師提供了一種可行的替代方案，它們?cè)趶V泛的負(fù)載范圍內(nèi)具有高效率，LDO在這方面無(wú)法與之相比。但是，DC-DC轉(zhuǎn)換器在其它所有方面幾乎都遜于LDO，它的尺寸較大，較難使用，需要更多的外部元件，而且產(chǎn)生更多的噪聲，最大的外部元件是電感。為了使DC-DC轉(zhuǎn)換器有效地運(yùn)行，該器件必須以較高的頻率開(kāi)關(guān)一個(gè)存儲(chǔ)元件，通常是一個(gè)電感。這個(gè)功能必然產(chǎn)生噪聲，并使穩(wěn)壓器的尺寸變大。這種“噪聲”可以轉(zhuǎn)移到它所供電的器件，也就是基帶處理器，從而引起系統(tǒng)問(wèn)題。它也可能污染電池，進(jìn)而導(dǎo)致噪聲擴(kuò)散到手機(jī)的每個(gè)部位。為了降低這種現(xiàn)象，手機(jī)設(shè)計(jì)師必須增加電容和電感等額外的過(guò)濾元件，以隔離和抑制噪聲。這將擴(kuò)大產(chǎn)品尺寸和提高復(fù)雜性。同時(shí)也需要對(duì)電路板的空間進(jìn)行認(rèn)真規(guī)劃，以使敏感區(qū)域遠(yuǎn)離DC-DC轉(zhuǎn)換器，并盡可能在與之隔絕。噪聲并不是總可以預(yù)測(cè)的，而在設(shè)計(jì)大批量消費(fèi)產(chǎn)品時(shí)，可預(yù)測(cè)性和對(duì)風(fēng)險(xiǎn)采取保守對(duì)策是極其重要的。

手機(jī)的LDO與傳統(tǒng)的DC-DC轉(zhuǎn)換器之間的對(duì)比如圖1所示。

圖1  DC-DC轉(zhuǎn)換器與LDO的對(duì)比

理想的電源管理元件

從效率角度來(lái)看，顯然DC-DC轉(zhuǎn)換器是電源管理的未來(lái)方向。挑戰(zhàn)在于降低DC-DC轉(zhuǎn)換器的尺寸，使之成為象LDO那樣的小型、簡(jiǎn)單、低噪聲和便宜器件。要求移動(dòng)產(chǎn)品小型化的市場(chǎng)力量和需求，將迫使出現(xiàn)這種情況。

為了搞清楚如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，讓我們先看一下構(gòu)成DC-DC轉(zhuǎn)換器的器件。最大器件是電感，它是一個(gè)開(kāi)關(guān)存儲(chǔ)元件，因此不僅尺寸大，而且會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而在電路板設(shè)計(jì)中引起噪聲問(wèn)題。顯然，電感的面積和高度必須縮小，以接近理想的LDO類(lèi)型的產(chǎn)品。我們?cè)倏纯碊C-DC轉(zhuǎn)換器的功能，以及為什么電感的尺寸需要做得這么大。圖2所示為一個(gè)非同步降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的基本運(yùn)行。移動(dòng)DC-DC轉(zhuǎn)換器通常是同步的，用MOSFET代替二極管以提高效率。為了便于理解，利用一個(gè)非同步降壓轉(zhuǎn)換器來(lái)介紹運(yùn)行情況。

開(kāi)關(guān)具有開(kāi)和關(guān)兩種工作狀態(tài)，每秒開(kāi)關(guān)的次數(shù)就是開(kāi)關(guān)頻率。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，能量就被輸送到輸出負(fù)載并存儲(chǔ)在電感內(nèi)。當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，存儲(chǔ)在電感中的能量被傳送到輸出。開(kāi)關(guān)的開(kāi)和關(guān)之間的比率被稱(chēng)為空度比，控制該比率就能控制輸出電壓。從圖2可以看出，電感電流由兩部分組成。第一個(gè)是DC輸出電流，第二個(gè)是開(kāi)關(guān)電感引起的電流DIL。ΔIL主要由E=Ldi/dt決定。此處的E是開(kāi)關(guān)閉合時(shí)電感上的電壓(輸入電壓減輸出電壓)，di是DIL，dt與開(kāi)關(guān)頻率成反比。DIL實(shí)際上是個(gè)多余部分，它流過(guò)輸出電容器、二極管并產(chǎn)生噪聲，并在開(kāi)關(guān)接通時(shí)造成額外的損失。為一個(gè)給定的設(shè)計(jì)選擇電感，完全是在DIL、噪聲損失之間進(jìn)行平衡。但有一件事是明確的：對(duì)于給定的輸入與輸出電壓，開(kāi)關(guān)頻率是決定電感值的主要因素。開(kāi)關(guān)頻率越高，即dt越低，則電感越小。

圖2 DC-DC轉(zhuǎn)換器運(yùn)行簡(jiǎn)圖

不幸的是，提高開(kāi)關(guān)頻率會(huì)造成很大的負(fù)作用。主要是DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率會(huì)下降。這個(gè)理由很簡(jiǎn)單。開(kāi)關(guān)利用一定的能量來(lái)開(kāi)和關(guān)。這部分能量其實(shí)是一種損失，因此每秒開(kāi)關(guān)次數(shù)越多，能量損失越大，總體效率就越低。控制這種“損失”是提高開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)鍵。

今天流行的DC-DC轉(zhuǎn)換器針對(duì)工作頻率為1-3MHz的移動(dòng)產(chǎn)品。在1MHz的開(kāi)關(guān)頻率下，通常需要使用4.7mH的電感，頻率為3-4MHz時(shí)電感可以降到1-1.5mH左右。圖3所示為電感尺寸與移動(dòng)產(chǎn)品開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系?？梢钥吹剑瑸榱私咏cLDO相當(dāng)?shù)某叽?，電感需要小?mH。這樣就可以把開(kāi)關(guān)頻率設(shè)定在6MHz以上。最先進(jìn)的500mA 0.47mH 電感采用0805外殼尺寸，高度為0.55mm。

圖3 電感尺寸與移動(dòng)產(chǎn)品開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系

從圖3可以看出，在開(kāi)關(guān)頻率為8MHz時(shí)，即可將電感放置在IC封裝內(nèi)，電感高度目前小于0.6mm。但是這方面存在一些挑戰(zhàn)。

高頻開(kāi)關(guān)面臨的挑戰(zhàn)

前面講過(guò)，與高頻開(kāi)關(guān)有關(guān)的損耗會(huì)增加。圖4所示為采用2.2mH電感在傳統(tǒng)的2MHz頻率下DC-DC轉(zhuǎn)換器的損耗，以及采用0.47mH電感和頻率為8MHz時(shí)的損耗。

圖4 2MHz和8MHz開(kāi)關(guān)頻率下DC-DC轉(zhuǎn)換器的損耗

可以明顯看出，在傳統(tǒng)的移動(dòng)DC-DC頻率2MHz下，開(kāi)關(guān)引起的損耗僅占總體損耗的20%左右?？傮w損耗約為200mA，是移動(dòng)器件的典型輸出電流。但在8MHz時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗會(huì)上升到40%以上。降低開(kāi)關(guān)損耗是能夠使用高頻開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵，也是能夠集成到封裝之中的小型電感的前提。

建議解決方案

Micrel公司推出了它的第一代“無(wú)電感”(L Free)DC-DC轉(zhuǎn)換器，首款產(chǎn)品是MIC3385。它的開(kāi)關(guān)頻率是8MHz，電感集成到3mm x 3mm MLF封裝之中。在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到降低開(kāi)關(guān)損耗，從而使開(kāi)關(guān)損耗上升導(dǎo)致的效率損失最小。圖5所示為MIC3385的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖。

圖5 MIC3385的“無(wú)電感”DC-DC轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

MIC3385的基本結(jié)構(gòu)是頻率恒定的PWM轉(zhuǎn)換器，帶有一個(gè)并聯(lián)LDO。在輸出負(fù)載處于待機(jī)時(shí)，LDO充當(dāng)輕負(fù)載模式。這種混合式設(shè)計(jì)提供了極其出色的噪聲性能，并使多能夠輕松地過(guò)渡到高頻。
MIC3385經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可以在較高的頻率下開(kāi)關(guān)而且電感值較低。

對(duì)于高頻DC-DC轉(zhuǎn)換來(lái)說(shuō)，除了降低開(kāi)關(guān)損耗以外，還有其它一些挑戰(zhàn)。最大的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)出具有足夠高的帶寬的控制回路，以使輸出電壓在快速瞬態(tài)下保持穩(wěn)定，同時(shí)仍采用小型陶瓷輸出電容器。MIC3385做了這點(diǎn)，它采用了一種獲得專(zhuān)利的方法—通過(guò)并聯(lián)LDO獲得所需的高帶寬。MIC3385的DC-DC轉(zhuǎn)換器和LDO都提供全輸出電流，以允許從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)實(shí)現(xiàn)幾乎無(wú)縫的轉(zhuǎn)變，具有最小的輸出電壓偏差。圖6所示為MIC3385在重負(fù)載瞬態(tài)條件下的輸出電壓偏差，并與比較傳統(tǒng)的DC-DC方案進(jìn)行了比較。重負(fù)載瞬態(tài)條件在移動(dòng)器件中是常見(jiàn)現(xiàn)象?？梢钥闯?MIC3385 8MHz架構(gòu)的表現(xiàn)大大優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而為設(shè)計(jì)穩(wěn)定性創(chuàng)造了較大的空間。

圖6 MIC3385在重負(fù)載瞬態(tài)條件下的輸出電壓偏差，并與比較傳統(tǒng)的DC-DC方案進(jìn)行了比較

噪聲方面的優(yōu)點(diǎn)

DC-DC轉(zhuǎn)換器的電感在運(yùn)行和開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)。設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮電感的安置，以避免引起干擾。例如，把電感安置在敏感的音頻元件附近，可能引起有害的干擾。把它放置在功率放大器附近，則可能降低器件的靈敏度并導(dǎo)致兼容問(wèn)題，電感越大，這些問(wèn)題越難以控制。MIC3385的電感較小，安放位置盡可能接近DC-DC裸片。這使高頻功率回路盡可能地短，與具有外部電感的低頻DC-DC相比，降低了EMI噪聲。這與直覺(jué)有點(diǎn)矛盾，因?yàn)橐话阏J(rèn)為較高的頻率會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲。

結(jié)語(yǔ)

結(jié)果顯示，第一代8MHz開(kāi)關(guān)頻率的DC-DC轉(zhuǎn)換器是可行的，它提供了一種有益的解決方案，在移動(dòng)設(shè)計(jì)中受到歡迎。該設(shè)計(jì)顯示出低噪聲、快速瞬態(tài)響應(yīng)和高效率，所有這些優(yōu)點(diǎn)都使DC-DC轉(zhuǎn)換器更接近LDO解決方案。