低电压数字系统电源设计技术

在计算机和通信领域,为了降低系统功耗提高电源效率,系统工作电压越来越低;另外,随着信息技术和微电子工艺技术的高速发展,器件的特征尺寸越来越小,集 成电路的电源电压也越来越低。低电压器件的成本更低,性能更优,所以各大半导体公司都将3．3V、2.5V等低电压集成电路作为推广重点,如高端的 DSP、PLD／FPGA产品已广泛采用3.3V、2．5V甚至1．8V、1 5V供电。因此,低电压数字系统的电源设计,是电子工程师面临的严峻挑战。

1 采用低压差线性稳压器(LDO)

低压差线性稳压器的突出优点是具有最低的成本、最低的噪声和最低的静态电流。它的外围器件也很少,通常只有一两个旁路电容。与传统的线性稳压器相比,它的 最大优点是输入输出压差很低。如78xx系列都要求输入电压要比输出电压高2～3V以上,否则不能正常工作。可是5V到3．3V的电压差只有1.7V,所 以78xx系列已经不能够满足3．3V或2.5V的电源设计要求。面对这类需求,许多电源芯片公司推出了Low Dropout Regulator,即低压差线性稳压器,简称LDO。当系统中输入电压和输出电压接近时,LDO是最好的选择,可达到很高的效率。这种电源芯片的压差只 有1.3～0.2V,可以实现5V转3.3V／2.5V、3.3V转2.5V／1.8V等要求。生产LDO的公司很多,常见的有：Maxim、 Linear(LT)、Nationa1 Semiconductor、TI等。

采用MAX8515作为稳压器,利用一个外部NPN晶体管和几只阻容元件可以方便地构成低成本、小尺寸的低压差线性稳压器(LDO),如图1所示。该电路 输入电压范围为1.2-2.5V,输出电压为IV。MAX8515的电源电压不同,R1的阻值就不同。输出电流可达2A。

    改变分压电阻R2、R3可以调节输出电压。可参考式(1)选择R2和R3的值。

    为保证能提供足够的负载电流,可参考式(2)选择电阻R1。

出于便携式电子产品布局布线的限制、对噪声敏感的应用及数码相机模块需要特殊电压等原因,分立的LDO仍在市场上顽强生存。LDO的发展方向,首先是高效 率,其次是不可避免地朝多功能集成方向发展,甚至被集成到PMU中。如AATI推出的AAT3223,集成了PowerOK功能,可监测LDO输出电压, 能在输出低于压范围时报警;同时还提供了省电引脚,引脚电压降抵时可使LDO进入关闭模式,从而延长电池寿命。又如安森美推出的以PWM和LDO双模式工 作的NCPl 501,在轻载下可由PWM模式转为LDO模式工作,1.8V下的效率为90％以上。

2采用电感开关型DC／DC转换器

电感开关型DC／DC转换器又称为开关型稳压器,包括升压、降压、升／降压和反相等几种结构,具有高效率、高输出电流、低静态电流等特点。随着集成度的提 高,许多新型DC-DC转换器的外围电路仅需电感和滤波电容,但该类电源控制器的输出纹波和开关噪声较大、成本相对较高。

近几年随着半导体技术的发展,表面贴装的电感、电容以及高集成度的电源控制芯片的成本也不断降低,体积越来越小。低导通电阻的场效应管省去了外部大功率场 效应管,例如对于3V的输入电压,利用片内沟道场效应管可以获得5V／2A输出。对于中小功率的应用可以使用小型低成本封装。另外,高达lMHz的开关频 率能够降低成本、减小外部电感／电容的尺寸。某些新器件还增加许多新功能,如软启动、限流、PFM或者PWM方式选择等。

LTC3441是一种大电流微功率同步降压一升压DC／DC转换器。它通过对输出开关的正确调相使输入电压可以．高于、低于或等于输出电压,并且这三种条 件下操作模式的切换是连续的,所以该器件的输出电压总是能满足应用要求,是在单节锂离子电池应用中的理想选择。LTC3441能在效率高达95%的情况下 提供最高1A的输出电流。LTC344l的工作频率在出厂时被调到1MHz。在该器件的MODE／SYNC引脚施加一个两倍于期望开关频率的外部时钟 (2.3MHz～3.4MHz),振荡器可以与之同步,同步频率范围是1.15MHz～1.7MHz。LTC3441所进行的高频操作允许采用表面贴装的 电感器。为了获得高效率,电感器最好采用高频磁芯材料以减小磁芯损耗由于V1N为电源输入引脚,应用时最好在该脚布置一个至少4.7uF的低ESR旁路电 容器。LTC3441的典型应用电路如图2所示。

3 采用电容电荷泵型DC—DC转换器

电容电荷泵型DC—DC转换器常用于倍压或反压型DC—DC转换。电荷泵电路采用电容作为储能和传递能量的中介。随着半导体工艺的进步,新型电荷泵电路的开关频率可达1 MHz。电荷泵有倍压型和反压型两种基本电路形式。

基本的电荷泵电路成本较低。它的最大优点是无需电感,外围电路只需几个电容,体积较小,能够提供95％的效率,固定开关频率时产生较大的噪声和静态电流。 另外,这种结构的输出电压只能是输入电压的倍数,利用四个内部开关和一个外部飞电容(flylng capacitor)能够获得输入电压的2倍、1／2倍或一l倍输出,也可以使用多级结构获得其它倍数的电压,但成本和静态电流也会增加。所以,在传统的 设计中,电荷泵结构很少与电池直接相连,而是用于产生系统的辅电源,为小电路模块或某一器件供电;但从目前的发展趋势看,新型的电荷泵输出电流越来越大, 而便携式产品的功耗则越来越低,所以有些产品选用电荷泵做系统的主电源。

为了克服电荷泵电路固有的缺陷,将电荷泵与LDO相结合,可以得到任意的输出电压,而且降低了输出噪声,但效率也相应有所下降,下降幅度与输入输出电压有 关。新型电荷泵稳压器采用PFM或PWM方式,内部电路不需要LDO。与电荷泵+LDO结构相比,新型PFM方式的电荷泵具有低成本、低静态电流等特点, 但输出噪声略有增加、两种电路的效率基本相同。如果改变倍乘因子可以改善转换效率。例如转换两节碱性电池到5v,新电池时使用两倍压,而电池电压低于 2.5V时使用3倍压。升降压应用中,开始时使用降压而后来使用两倍升压,可以改善效率。

TPS6012x和TPS6013x是美国德州仪器公司推出的一种升压稳压的电荷泵型DC—DC：转换器,具有可调整的电压转换比例、更低的成本、更简单 的设计以及更少的电磁干扰等特点。TPS6012x可以接受两个碱性电池、镍镉电池或镍锰氢电池所提供的范围在1 8～3.6V之间的输入电压,产生3 3(1±O．04)v的输出电压以及200mA的最大输出电流。其转换效率可达90％,待命状态下所需的电流只有60 μA。TPS6013x可以接三个碱性电池、镍镉电池、镍锰氢电池或是一个锂离子电池所提供的范围在2.7～5 4v之间的输入电压,产生5.0(1±0 04)V的输出电压;而输出电流随元件型号不同有150mA和300mA两种。与其它直流电压转换器采用的电感器不同,它们使用电容器来储存电荷,避免了 电磁干扰带来的复杂问题。TPS6012x和TPS6013x只需要4个低价的外部电容,降低了整体系统成本。它们还提供“脉冲跳跃”的省电工作模式及 “逻辑关机”工作模式。后者可把供应电流降低到O.05 μA,并且将电池与负载完全切断。

TPS60130的典型应用如图3所示。

LDO稳压器为电流输出要求较低的应用提供了体积小且价廉的解决方案,而电感开关型DC-Dc转换器能保证高得多的电源转换效率,如果延长电池寿命是头等 要求,则是合理的选择。电容电荷泵型Dc—Dc转换器的转换效率比相同档次的电感开关型Dc-Dc转换器要低,但是成本也低。在设计低电压数字系统的电源 时,开发者要在系统整体方案的成本、体积、噪声和效率之间进行l折衷。
 
总体而言,低电压、大电流、高效率、小尺寸、低成本是DC—DC转换器发展的趋势。从技术上看,零电流零电压开关、平面变压器原理、同步整流、超高开关频率、开放式结构等新型技术的应用,使得更高性能价格比的电源转换芯片不断出现。