不斷縮小的電子電路對電源提出了跟上步伐的要求。PCMCIA卡格式迫使設計人員考慮轉換器拓撲結構，并密切關注滿足超薄設計要求的組件。本教程討論PMICIA卡的轉換器設計。對于超薄設計，本文推薦使用線性穩壓器、電荷泵和基于電感的開關穩壓器。分析了幾種轉換器拓撲的弱點。

除了必須最大限度地降低噪聲、實現高效率并避免上電期間的浪涌電流外，電源設計人員還必須遵守PCMCIA卡上元件的嚴格高度限制。用于PCMCIA卡的DC/DC轉換器具有一系列應用，可產生一系列轉換要求。應用包括閃存器件的 12V 生成、模擬電路的 -5V 生成以及 3.3V 至 5V 和 5V 至 3.3V 轉換。其中一些應用的出現是由于5V不耐受的DRAM芯片和3.3V PC卡標準的出現。

這些應用的潛在電源電路包括線性穩壓器;電荷泵;以及降壓、升壓、反激和反相開關模式穩壓器。穩壓器控制方案包括線性、自由運行、脈寬調制 （PWM） 和脈沖頻率調制 （PFM）。相互沖突的設計要求包括低高度、小面積、低成本、高效率、低浪涌電流，以及在某些情況下的低EMI輻射。

3.3V至5V的轉換是一個關鍵的DC/DC轉換器應用，因為PCMCIA 3V/5V工作組準備發布3.3V PC卡標準，該標準計劃于2月發布。該標準取代了1.3版，并允許僅以3.5V運行的主機系統。它指定硬件密鑰，以防止在僅 3.3V 的主機插槽中插入僅 3V 的卡，反之亦然。為了與各種主機系統兼容，PC 卡的 Vline 應接受來自主機的 3.5V 或 3V。但是，許多卡不接受3.<>V，需要升壓DC/DC轉換器才能實現更高的電壓。

將3.3V升壓至5V的電路包括PWM升壓穩壓器、PFM升壓穩壓器和電荷泵。電荷泵（圖1a）是最小、成本最低的選擇。您可以制造具有薄型的電荷泵，因為這些泵沒有電感器或變壓器。然而，電荷泵在3.3V時的半負載效率僅為75%，比基于電感的開關穩壓器產生的效率低10%至12%。

在工作時，電荷泵將外部電容器充電至不同的電壓，然后并聯。由此產生的損耗導致電荷泵效率在很大程度上取決于輸入輸出電壓的比值。效率與輸入電壓的關系圖在V時出現峰值外是 V 的偶數倍數在 (圖1b）。在任何情況下，75%的效率與1型PCMCIA卡上的電感開關穩壓器所達到的效率相當，因為扁平電感器固有的高直流電阻。與基于電感的電路不同，電荷泵的效率是恒定的，負載電流小至1mA。

圖1.由于電荷泵（a）具有低成本和小尺寸的特點，因此可能是3.3V至5V轉換器的不錯選擇。電荷泵的效率與輸入電壓的關系（b）顯示一條曲線，該曲線在輸入電壓的偶數倍處達到峰值。

電荷泵中的眾多大電流開關限制了其相對于電感電路的輸出電流能力。但是，開關允許您通過并聯電荷泵來獲得更高的電流。此外，電荷泵在啟動時吸收的浪涌電流比大多數電感電路小，并且在關斷模式下輸出電壓降至零，這與電感升壓電路不同。電荷泵還提供快速啟動，這有助于系統在休眠模式后實現快速內存訪問。

高開關頻率允許您在電荷泵電路中使用小電容器。該電路包括一個可選的V抄送-旁路MOSFET，可在V時提高3V/5V系統的效率抄送為 5V。最壞情況下負載條件下的啟動時間為500μs，相應的峰值浪涌電流為600mA。通過使用PWM或其他門控時鐘信號在啟動期間驅動芯片的關斷引腳一兩毫秒，可以進一步改善啟動條件。

基于電感的穩壓器非常高效

與其他穩壓器拓撲相比，基于電感的升壓穩壓器具有幾個關鍵優勢。首先，升壓穩壓器簡單高效。它們電感和輸入源的串聯輔助連接提供比其他選項（如反激式和正激式轉換器）更低的峰值電感電流。低峰值電流允許使用小型電容器和電感器，具有低I2損耗并提供高效率。低電阻提供更好的效率，但通常需要更大、更昂貴的組件。

高浪涌電流和無法關斷電路抵消了基于電感的升壓穩壓器的優勢。您可以添加具有慢導通特性的可選高邊開關，以適應這些缺點。升壓穩壓器（圖 2）采用 PFM 控制環路，利用小型外部元件提供出色的輕負載效率。噪聲和EMI輻射高于傳統的PWM穩壓器。靜態電源電流在 V 時的平均電流僅為 50μA在= 3.3V，相對較高的開關頻率（300kHz）允許使用5μH或更小的低值電感器。

圖2.使用最大高度為 1.2mm 的組件，您可以設計超薄 3.3V 至 5V PFM 升壓穩壓器。

PFM升壓電路的另一個特點是其扁平封裝，可容納1型PCMCIA卡。除肖特基整流二極管外，所有組件均為超扁平，最大高度為1.2mm。該二極管是摩托羅拉的500mA鉻勢壘型，采用SOD-123封裝，最大高度為1.35mm。對于 Type-1 卡，二極管不夠平坦，除非您偏移卡盒中的印刷電路板。穩壓器IC封裝為SOT-144，最大高度為1.1mm。

其他組件包括PFET開關，這是德州儀器的低閾值器件，采用TSSOP（最大高度為1.1mm），具有高CV產物的扁平保形涂層鉭電容器（Sprague最大高度為1.2mm），以及Coiltronics的寶石狀平面鐵氧體電感器（高度為1.19mm）。超薄電感器具有高直流電阻（約 0.5 μhm），效率比適用于 II 型 PCMCIA 卡的高電感器低 5%。

通常，只有當卡包含RF接收器或其他帶有開關穩壓器的敏感模擬電路時，噪聲和EMI才會成為問題。在這種情況下，可以使用固定頻率PWM升壓穩壓器，例如170kHz MAX751，其諧波不會干擾接收器的頻段。另一種選擇是使用PFM穩壓器，它產生的噪聲頻譜比PWM穩壓器更寬。因此，PFM穩壓器不會干擾大多數PC卡上的數字電路。脈沖跳躍PFM穩壓器產生的隨機頻譜可在任何一個頻率下產生較少的噪聲。此特性有助于 FCC 認證。

控制浪涌電流

浪涌電流與電源電壓上升時間是設計PCMCIA卡電源時的一個重要權衡因素。對于許多系統而言，穩壓器中的高峰值電流限值允許更快的上升時間，這反過來又允許系統在從深度睡眠或斷電狀態返回時更快地訪問存儲器。然而，高峰值電流在上電時會產生高浪涌，因為穩壓器試圖通過將大電流傾倒到輸出電容中來糾正其反饋誤差。

升壓穩壓器增加了啟動尖峰（通常為20μs脈沖，為2A或更高），通過源極、電感和整流器的串聯連接為輸出電容充電，從而加劇了浪涌電流問題。當啟動尖峰加入輸入電容的浪涌電流時，總電流很容易超過10A（圖3）。對于許多小型系統，電流尖峰會使旁路電容不堪重負。對于其中許多系統，電流尖峰可能導致監視器出現電源故障、激活重置以及在系統嘗試切換 V 后重新啟動計算機抄送到卡上。

圖3.不帶高端開關的升壓穩壓器的輸出電壓（2V/格的上部波形）（a）和輸入電流（下部波形為2A/格）。V電路響應在= 3.3V 和 R負荷= 25 微歐姆。水平刻度為 100μs/div。具有慢速高邊開關的升壓穩壓器的輸出電壓（2V/格時為上限波形）（b）和輸入電流（下部波形為500mA/div）。水平刻度為 500μs/格。

抑制浪涌電流尖峰的最佳方法是添加一個高端開關（圖 4）。該開關是一個邏輯電平p溝道MOSFET，加上柵極電路中的一個RC網絡，用于延遲導通。在柵極-漏極結兩端增加米勒電容可進一步降低PFET的開關速度。要將啟動延遲200μs，請控制IC的關斷引腳。停機引腳允許旁路電容器的輸入浪涌電流在使能開關穩壓器之前建立。

圖4.您可以使用 FET 開關來抑制浪涌電流尖峰，該開關的導通特性因 RC 時間常數而延遲。

高端開關還解決了升壓轉換器在開關穩壓器關斷時輸出電壓無法完全關斷的問題。相反，V外驟降至等于 V 的電壓在減去二極管壓降。此電壓電平可能會在掛起和待機模式下無意中為 PCMCIA 卡供電。高邊開關通過斷開電源與電路的連接來阻止不需要的電源。

軟啟動是降低啟動時浪涌電流的另一種方法。軟啟動電路通常包括一個外部定時電容器，允許穩壓器的峰值電流限制逐漸上升。當與慢響應輸入開關結合使用時，軟啟動功能為在輸出上升時間與輸入浪涌電流之間進行權衡提供了一種解決方案。

可承受 5V 電壓的降壓型穩壓器

當裝滿低壓IC的卡必須承受5V輸入才能與僅5V主機兼容時，降壓穩壓器非常重要。降壓型設計的權衡是選擇使用線性穩壓器或開關穩壓器。線性穩壓器體積小且價格便宜，所需濾波電容器的低值降低了浪涌電流。它們的缺點是效率低。如果忽略基極電流和靜態電流，線性穩壓器的效率理論上等于V外/V在，對于 66V 至 5.3V 轉換器，為 3%。基于PFET的電路（圖5a）接近理論效率，因為它沒有pnp基極電流，靜態電流低至7μA。

在開關穩壓器中，降壓拓撲在降壓應用中明顯優于反激式和單端初級電感轉換器（SEPIC）。與升壓穩壓器類似，降壓穩壓器的峰值電感電流水平相對較低，因此可實現高效率和小開關元件。

如果不提及卡上 V ，則對存儲卡電源的討論是不完整的Q-1用于閃存卡和固態磁盤驅動器的生成。雖然大多數便攜式主機系統可以提供足夠的電壓Q-1為卡連接器上的 12V 引腳供電，12V 是 PCMCIA 規范中的可選電平。為了與一系列主機系統兼容，您可能需要從 V 添加卡上轉換抄送至 12V。

12V轉換器的設計目標與3.3V至5V轉換器的設計目標相似：低成本、小元件和低浪涌電流。效率不那么重要，因為VQ-1編程器在低占空比下工作，其中 VQ-1電流遇到間歇性負載，僅在編程和擦除操作期間發生。您可以將電荷泵用于低電流應用，將升壓拓撲開關用于高功率水平。

圖5b顯示了一個12V升壓穩壓器，該穩壓器采用脈沖跳躍PFM控制方案，可實現高負載電流。電路是自舉的，這意味著IC的輸出電壓提供電源電壓。其結果是內部n溝道功率MOSFET的柵極驅動電壓水平較高，從而提供了低導通電阻和高效率。

圖5.這種基于PFET的線性穩壓器（a）接近其理論效率，因為它具有低靜態電流且無基極電流。用于閃存的 12V 升壓穩壓器 （b） 采用脈沖跳躍 PFM 控制方案。

PCMCIA卡電壓范圍很寬

雖然PCMCIA卡通常需要兩個電源，但PCMCIA格式應用的多樣性打開了卡上的潛在電壓轉換范圍。例如，在RF發射器輸出級采用GaAs FET的無線PCMCIA卡需要-4.1V的低噪聲負偏置電壓。電壓施加到砷化鎵FET功率晶體管的柵極，以偏置器件以實現線性操作。直流電源必須是低噪聲的，因為柵極的擾動會調制RF信號并產生雜散邊帶。

您可以通過使用未穩壓的自由運行電荷泵反相主機電源來完成電壓轉換至-4.1V。通過使用pnp線性穩壓器進行后置調節來濾除開關噪聲（圖6a）。自由運行的波形會產生比穩壓電荷泵更高的靜態電流，但噪聲仍保持在固定頻率，您可以輕松濾除。該 IC 內置線性穩壓器，在 -5.4V 時產生 1mA 電流，噪聲和紋波僅為 1mV。

產生3.3V至5V之間的電源電壓是一項挑戰，通常需要反激式轉換器或SEPIC。采用 5V 和 3V 主機工作的要求排除了降壓和升壓轉換器。在高 V 下在電壓、升壓穩壓器跟隨輸入并提供過壓，在低 V 時在，升壓穩壓器壓降并允許輸出驟降。反激式和SEPIC電路工作，但高V電壓外-to-V在比率產生高水平的峰值電流，需要大型變壓器或電感器。

升壓穩壓器提供串聯輔助源-電感連接，避免了反激式和SEPIC拓撲的缺點。缺點是當V在高，拉起V外通過串聯電感整流器連接，這可能導致V處的過電壓外.PFM升壓/降壓電路（圖6b）填補了賬單。該電路為升壓穩壓器，其內部pnp有源整流器在高輸入電壓下成為偽線性穩壓器。該特性提供升壓/降壓動作和完全關斷 （V外= 0V）。該電路還通過將整流二極管引入IC來節省空間。

圖6.自由運行的電荷泵電路（a）會產生負電壓，以偏置無線PCMCIA卡中的GaAs FET。升壓/降壓轉換器 （b） 產生 3V 至 5V 的中間電壓。

隔離電源是PCMCIA卡上可能發生的另一種配置。醫療、儀器儀表和 LAN 接口卡使用隔離電源。對于小型隔離電源，最佳的開關穩壓器拓撲是反激式和直流變壓器類型。反激式穩壓器類似于升壓穩壓器;圖7中的示例是一個直流變壓器。該電路通過將直流電轉換為交流電并將其施加到中心抽頭變壓器的初級端，將能量穿過柵極。由于變壓器以正向而不是反激模式工作，因此其磁芯不儲存能量，因此可能很小。

圖7.隔離電源需要變壓器將輸出電壓與輸入電壓隔離。該穩壓器將直流電壓轉換為交流電壓，以正向驅動直流變壓器。

在研究了各種電源設計之后，這些小型卡內電源的首選應該是線性穩壓器，然后是電荷泵，然后是基于電感的開關穩壓器。升壓和降壓拓撲是基于電感的電路中最好的。如果可能的話，避免使用反激式穩壓器，因為它們的變壓器儲存能量，因此具有大磁芯。如果必須隔離，請使用直流變壓器。

為了獲得最佳輕負載效率，請選擇脈沖跳躍PFM控制架構而不是PWM類型。一個例外是低噪聲模擬電路的設計，它要求您避免敏感頻段的頻譜污染。不要低估減少浪涌電流的重要性。這個問題一直困擾著設計師。

最后，請留意用于薄型電源的新組件和技術。本文中討論的元件和IC很少在一年前存在。市場壓力應確保IC和元件制造商繼續開發PCMCIA應用的產品。

審核編輯：郭婷