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%26;#177;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%26;#177;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。