電池驅動設計中的新型穩壓器

電源電路通常在臨近研發階段結束時才進行贓,然而對便攜式產品,電池卻是頭等重要的大事。要想穩定電池供電電源的電壓,實踐要比說說復雜得多,特別是在單系統設計中電壓的類型和數量增加時。穩壓IC技術的最新進展為設計者提供控制輸出電壓更有效的途徑,并為多電壓系統提供更充足的功率。

1999年,全球穩壓器與電壓基準業務達到23億美元的規模,占模擬產品總銷售額的11%,器件總數據的22%。據半導體行業分析公司Mclean Report預測,2001年的總銷售額將激增至35億美元。

穩壓器是電源設計中的基本組件。線性穩壓器簡單易用,電磁干擾（EMI）低,輸出紋流低、負載與線路穩定性好,對負載與線路的變化響應也快;然而與開關穩壓器相比,效率較低,若使用散熱器,占用的空間較大。開關穩壓器降低了對源功率的要求,無需散熱器。這種器件功率密度高,能產生各種小于,甚至大于輸入的單路或多路輸出電壓,當然與線性穩壓器相比,易產生EMI,具有較高的輸出紋波,對負載或線路變化響應慢。

無論是線性穩壓器還是開穩壓器,本質上都是模擬的。盡管開關穩壓器有一些數字電路,實際上只不過是脈寬調制的模擬電路。在多數場合,兩者都以單芯片形式提供。在內置微處理器、DSP或FPGA的便攜式設計中,芯核電壓不斷地在降低,且一般與I/O供電是分離的。因此,設計者開始寄厚望于備有雙輸出電壓的電源管理器件。Texas Instruments的雙電壓穩壓器TPS56300就是一個很好的例證。它在單芯片上設置了供芯核使用的開關穩壓器,供I/O使用的低壓降（LDO）線性穩壓器。這似乎反映了器件發展的未來趨勢。

線性穩壓電源

線性穩壓器采用FET去除外加輸入電壓的多余部分來提供精確的輸出電壓。FET可視為輸入電壓與輸出電壓之間的一個可變電阻。這類電路的一個固有缺陷就是輸入與輸出間存在一定的電壓降。為了使穩壓器的輸出電壓保持在正常值的范圍內（低于100mv）,應盡量降低這個壓差。正輸出LDO穩壓器通常用PNP型晶體管作調整管,使穩壓器具有極低的壓降,一般為200mv;相反,負輸出LDO的調整管則采用NPN型晶體管。

National Semiconductor正在開發新型模擬產品來滿足移動電話類便攜式產品不斷提出的多電壓,小占用面積的要求。對此,公司相關人員解釋道：“移動電話正日益‘消費品化’。MP3播放機、FM收音機、免提功能,幾乎能想象到的功能都增添到它的內部了。其結果必須是在小型封裝擠入更多的器件。”公司解決小占用面積的途徑是采用微型SMD封裝,即裸裝型封裝。這類器件不是將芯片放置在常規的SOT-23-5L一類塑料封裝內,而是將焊球直接安置在芯片上。這意味著芯片的尺寸就是實際封裝的尺寸。

NS的LP3985新型CMOS LOD穩壓器是一個5焊球、1mm2的微SMD封裝器件。由于采用了LDO技術,穩壓器在低輸出等效串聯電阻（ESR）條件下保持穩定性是十分重要的。現在更多地使用陶瓷電容。LP3985使用小型陶瓷片瓷電容。LP3985使用小型陶瓷片隙來節省印制板空間。NS在為移動電話客戶制作的ASIC中已采用LP3985,作為ASIC LDO塊之一。ASIC內部一般有5～8個LDO。LDO向數字電話內部的信號處理元件提供功率。這類產品也發展為標準產品,也可作為一種集成化ASIC。

在便攜設計中,延長電池壽命至關重要。電源產品內置“休眠”方式來關閉部分電路。此外,在RF應用中,穩壓器產生的噪聲也是一個問題。盡管線性穩壓器的噪聲比開關穩壓器低,但是仍產生不希望有的噪聲。

由于LD標準線性穩壓器更能充分利用輸入電壓,在電池放電階段能工作更長時間,因而非常適合電池供電的應用。LDO也減少了提供穩定輸出電壓所需的電池數量。考慮到電池供電的便攜式產品的增長必然導致對LDO需求的增加,Vishay Inter technology、International Rectifier等公司采用收購的策略在生產線上應用LDO技術。International Rectifier最收購了Omneril;而Siliconix已成為Vishay的一部分。

去年夏天,Siliconix發布了新型LDO穩壓器,即Vishay Siliconix Si9182DH。對功率變換設計,在輸入端與輸出端可使用2.2μF陶瓷電容或鉭電容。Si9182DH改進了公司原先IC的性能。在其最大連續輸出電流250mA下,壓降僅為180mV。低壓降延長了電池的壽命。一般的線路與負載瞬態響應小于2ms,允許它與快速的DSP和微控制器一起使用。在輸入電壓2～6V范圍內,Si9182DH與單個或多個電池兼容,用于移動電話、發信機、網絡電話、PDA、筆記本電腦及便攜式儀器中。

同在去年夏天,Semtech在產品系列中增加了幾款電池工作系統的新型LDO。SC1454具有兩上獨立啟用、超低壓降穩壓器（ULDO）。一個穩壓順的輸出固定;另一個可以是固定的,也可以用外部電阻來調整。它的特點鮮明：靜態電流低、輸出噪聲低、多種輸出電壓、輸入反極性保護。另一款新型器件是SC1456,它將兩個150mA、低噪聲ULDO集成在一個芯片內,供關注點用空間的便攜式設計應用。其它特性包括2.5～6V輸入電壓范圍,輸出噪聲低、陶瓷電容穩定工作。可供選擇的標準電壓為3.3V、3V、2.8V和2.5V。最新產品是SC1563,其特點是靜態電流低,封裝尺寸小,有斷路引線,使用陶瓷電容或鉭電容。可選電壓為3.3V、3.1V、3V、2.8V、2.5V和1.8V,也可用外部調整輸出。

開關穩壓器

供應商在開關穩壓器中設置了過流保護與過壓保護。傳統上,設計人員需另設分立電路來穩定電壓。另一個趨勢是加強對開關頻率的控制。由于帶RF接口的便攜式設備對開關穩壓器產生的噪聲十分敏感,因此要對輸出電壓開關頻率和紋波頻率加以控制。

為了產生輸出電壓,開關穩壓器采用開關電路與電容、電感儲能相結合的輸出級。輸出電壓依靠對輸出電壓反饋采樣調整開關定時來穩壓。在固定頻率穩壓器中,開關定時通過開關電壓的脈寬調制進行控制。在脈沖式穩壓器中,開關脈沖的寬度與頻率保持恒定,反饋控制輸出開關導通或截止進行調整。

與線性穩壓器不同,開關穩壓器的輸出電壓既能小于輸入電壓,又能大于輸入電壓;此外,一個穩壓器還能產生多個輸出電壓。不論是等壓的、降壓的,還是升壓的,開關穩壓器的源功率變換效率都比線性穩壓器高。

目前,一個明顯趨勢是工作電壓在不斷下降。回顧5或10年前,電子系統都是按5V設計的,與0.5μm、CMOS工藝技術相適應。隨著電壓的降低,新型微處理器過渡至0.35μm工藝,形成一種3.3V新電壓標準。當DSP、微控制器和ASIC躍上0.25μm的臺階,另一種2.5V標準工作電壓出現了。當前,處理器的幾何特征尺寸進一步縮小至0.2～0.18μm,因此才有工作在1.8V,甚至0.9V的系統。除了電壓下降的趨勢,在典型的現除了電壓下降的趨勢,在典型的現代電子系統中,多個電壓（5、3.3、3、2.5、2、1.8、1.5與0.9V）同時并存的現象也十分普遍。并非所有OEM制造商以相同速度向前推進,故導致電子系統需要多種電壓的局面。例如,用戶仍在使用5V供電的老式處理器,同時又使用在1.8V工作的存儲器或在2.5V工作的ASIC。

ON Semiconductor為用戶推出新款開關穩壓器MC33680（圖1）。這是一種雙通道dc/dc變換器,一路輸出電壓為2.5V,是為微處理器度身定做的;另一路輸出電壓最大可調整至25V,兩路電壓共處在同一功能塊中,當然采取了防串擾設計。

Analog Devices的相關人員也注意到筆記本電腦市場類似的趨勢：“在這個特殊的領域,用戶要求電腦完成更多的功能。人們希望一機多用,如手表兼作隨身聽,甚至DVD播放機。因此,在這個市場中,所需的電壓數量激增。在過去,僅需產生5V或3.3V,或許還有12V供PCMCIA卡使用。由于新的需求,電壓將隨最終產品而增加,或隨功能要求而增加。”生產廠將CPU用穩壓器作為主要目標,也更密切關注Intel新開的稱為IMVP（Intel移動電壓定位）技術。Intel在其Pentium處理器周圍放置了很多電容器來解決瞬態問題。理論上,IMVP可讓你僅使用半數輸出濾波電容。很多公司的新產品都已考慮了這種電壓定位技術。

為了對多電壓要求作出反應,AD最近推出雙開關穩壓器ADP3020（圖2）。與德州儀器的TPS 56300類似,ADP3020器件內既有LDO,也有開關穩壓器。雙dc/dc變換器是為筆記本電腦除CPU芯核外全部系統電源設計的。雙同步反擊開關控制器ADP3020對電池或電源適配器輸入的變換系統進行了優化。它不采用電流方式控制器而采用電壓方式控制,從而省掉檢測電阻。它工作于200K,300K或400K頻率,且能和高達600KHz外時鐘同步。

Anadigics為與Palm VⅡ一起使用而設計出dc/dc變換,Palm VⅡ是一個配有無線無線的電子設備。IC采用GaAs MESFET工藝,高頻工作,具有一個位于音頻外的振蕩器,以減少器件的總尺寸。器件安裝在SOT-25封裝內,占用面積不到3mm2。主要特性是99%的開路效率,在2.5mA負載下效率為88%。

穩壓器供應商總是試圖將盡可能多的常用功能集成在一起。例如在一部移動電話中,穩壓器可多達十余種。DSP一個、RF部分一個、微控制一個、內存一個,用戶識別卡一個、等等。制造廠所能做的就是將所有這些穩壓器制作在一塊大型功率管理控制器內。

更佳的電源選擇方案

設計人員必須仔細地考慮便攜式設計中穩壓器類型的折衷方案。在復雜多電壓系統中,新型雙穩壓技術不失為一個實際的選擇。在這兩類穩壓器中,半導體供應商正在不斷提供大量的改進的積木塊產品、更有效的IC解決方案。對電源設計人員來說,總是希望節省更多的電路板空間,擺在供應商面前的最大挑戰是尋求最終解決全部問題的一套完整的工具。