便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品集成了越來越多的新功能。隨著用戶對(duì)更小尺寸、更長電池壽命的期盼，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨著更大的挑戰(zhàn)。每種新增功能都需要額外的空間和額外的功率，這樣，留給電池的空間將會(huì)更小，需要在更小的空間內(nèi)以更高的效率提供更大供電電流。本文就電源設(shè)計(jì)中的電流要求對(duì)不同類型的調(diào)節(jié)器進(jìn)行比較，討論它們?cè)诒銛y產(chǎn)品中的應(yīng)用。

概述

新一代便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品集成了越來越多的功能，很難對(duì)這些具體產(chǎn)品進(jìn)行分類。功能的增多有助于提高銷售量，但是，為了滿足用戶對(duì)更小尺寸、更長電池壽命的要求，設(shè)計(jì)人員面臨著更大的挑戰(zhàn)。每種新增功能都需要額外的空間和額外的功率，由于留給電池的空間極其有限，因此，需要在更小的空間內(nèi)以更高的效率提供更大的供電電流。

對(duì)功率的更高要求改變了設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

近兩年，大多數(shù)手持產(chǎn)品采用一路降壓型(buck)轉(zhuǎn)換器和多路低壓差(LDO)線性穩(wěn)壓器方案，有些設(shè)計(jì)則只采用線性穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)。這種方案能夠提供良好的工作性能，由于大多數(shù)處理器采用3.0V或3.3V供電，在單節(jié)Li+電池供電時(shí)，LDO可提供適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換效率。但是，隨著對(duì)處理器功耗的要求和IC工藝向更小的亞微米技術(shù)的發(fā)展，微處理器的核電壓降至1.8V、1.5V、1.3V甚至0.9V。另外，典型的I/O電壓也從3.3V降至2.5V或1.8V。電壓的降低大大降低了LDO的效率，它所產(chǎn)生的熱量抵消了低核電壓和低I/O口電壓帶來的好處。因此，為了保持較高的效率，設(shè)計(jì)人員必須考慮選用buck轉(zhuǎn)換器。

為了滿足低電源電壓的需求，許多系統(tǒng)內(nèi)部采用多個(gè)處理器。例如，手機(jī) + PDA組合就是個(gè)很好的例子，系統(tǒng)包含一個(gè)基帶處理器和一個(gè)應(yīng)用處理器，每個(gè)處理器都需要單獨(dú)的供電電源。手機(jī)和PDA上使用的相機(jī)模塊仍傾向于采用LDO供電，但相關(guān)的圖形處理器通常要求更低的電源電壓。因此，在多功能設(shè)計(jì)中，常常要用到多路buck電源。在一塊PC板上安裝三路buck電源已經(jīng)很常見。

新型定制電源管理芯片(PMIC)集成了一路或多路buck轉(zhuǎn)換器，但這些產(chǎn)品還常常不足以滿足用戶的要求。每增加一項(xiàng)新的功能，就有可能需要另外一路buck電源或需要提高buck電源的驅(qū)動(dòng)能力。顯而易見，只有那些能夠采用分立電源IC在最短的時(shí)間內(nèi)滿足新的設(shè)計(jì)需求的制造商才能保持與市場需求的同步增長。

尺寸的挑戰(zhàn)

就目前的設(shè)計(jì)水平而言，要想在系統(tǒng)中增加一個(gè)buck轉(zhuǎn)換器不僅要增加成本，還要占用一定的電路板面積。三年前，典型的buck轉(zhuǎn)換器采用MSOP封裝，尺寸為15mm2，可工作在1MHz或更低的開關(guān)頻率，需要較大尺寸的外部電感和鉭電容。如圖1b所示，現(xiàn)在的1MHz buck轉(zhuǎn)換器采用TDFN封裝，尺寸已降至9mm2，且外部可以使用陶瓷電容和小尺寸電感，但其尺寸還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于LDO，如圖1a所示。

先進(jìn)的亞微米BiCMOS混合信號(hào)處理工藝是解決尺寸問題的關(guān)鍵技術(shù)，它能夠進(jìn)一步縮小電源IC的尺寸，提供其工作頻率，能夠選用更小尺寸的外部元件。許多IC制造商已經(jīng)能夠提供2MHz甚至更高頻率的電源IC，同時(shí)也采用了更小的封裝。如圖1c所示，Maxim的4MHz buck轉(zhuǎn)換器MAX8560的尺寸幾乎與LDO一樣小! 可采用更高的工作頻率，因此，允許使用微型電感，如：Taiyo Yuden的CB2012系列，0805封裝。

盡管1MHz和4MHz buck轉(zhuǎn)換器的制造工藝均有所提高，4MHz buck轉(zhuǎn)換器的效率要比1MHz buck轉(zhuǎn)換器的效率低，如圖2所示。因?yàn)檩^高的開關(guān)頻率會(huì)產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗，而微型電感也存在較大的磁芯損耗。值得慶幸的是，1MHz和4MHz的buck轉(zhuǎn)換器效率差別不大，而且，它們的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于LDO的效率(41%)。

結(jié)論

從上述分析可以看出，系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)有三種選擇：a)小尺寸、b)高效率或c)小尺寸加高效率。需要在電池壽命和系統(tǒng)物理尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡。由于方案c中的高頻buck轉(zhuǎn)換器能夠在不明顯增大電路版尺寸的前提下大大提高電源的轉(zhuǎn)換效率，因而理所當(dāng)然地成為多功能、便攜式消費(fèi)類產(chǎn)品的優(yōu)選方案。此外，考慮到buck轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的熱量低于LDO，因此，有可能以更小的尺寸取代LDO。

圖1. 盡管效率不高，但LDO線性穩(wěn)壓器(a)仍是尺寸最小的解決方案。傳統(tǒng)的1MHz buck轉(zhuǎn)換器(b)可提供極高的效率，但尺寸太大。新型高速4MHz buck轉(zhuǎn)換器(c)的尺寸接近LDO且效率接近1MHz buck轉(zhuǎn)換器。

圖2. 兩種buck轉(zhuǎn)換器的效率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于LDO線性穩(wěn)壓器的效率。4MHz buck轉(zhuǎn)換器以犧牲一點(diǎn)效率為代價(jià)換來的則是極小的尺寸。

審核編輯：郭婷