便携产品电源芯片的应用技术

作者Email: alecyan@sh163.net 便携产品电源系统设计要求 便携产品电源设计需要系统级思维，在开发由电池供电的设备时，诸如手机、MP3、PDA、PMP、DSC等低功耗产品，如果电源系统设计不合理，则会影响到整个系统的架构、产品的特性组合、元件的选择、软件的设计和功率分配架构等。同样，在系统设计中，也要从节省电池能量的角度出发多加考虑。例如现在便携产品的处理器，一般都设有几个不同的工作状态，通过一系列不同的节能模式（空闲、睡眠、深度睡眠等）可减少对电池容量的消耗。即当用户的系统不需要最大处理能力时，处理器就会进入电源消耗较少的低功耗模式。 从便携式产品电源管理的发展趋势来看，需要考虑这样几个问题： 1）电源设计必须要从成本、性能和产品上市时间等整个系统设计来考虑； 2）便携产品日趋小巧薄型化，必需考虑电源系统体积小、重量轻的问题； 3）选用电源管理芯片力求高集成度、高可靠性、低噪声、抗干扰、低功耗、突破散热瓶颈，延长电池寿命； 4）选用具有新技术的新产品电源芯片，将新的电源芯片应用于新的设计方案中去，是保证新产品先进性的基本条件，也是便携产品电源管理的永恒追求。 便携产品常用电源管理芯片 %26;#8226; 低压差稳压器（LDO Linear Regulators ） LDO VLDO； %26;#8226; 基于电感器储能的DC/DC Converters (Inductor Based Switching Regulators) Buck Boost Buck-Boost； %26;#8226; 基于电容器储能的Charge Pumps (Switched Capacitor Regulators); ； %26;#8226; 电池充电管理 Battery Chargers; %26;#8226; 锂电池保护 Lithium Battery Protection; 电源管理芯片选用思考 %26;#8226; 选用生产工艺成熟、品质优秀的生产厂家产品； %26;#8226; 选用工作频率高的芯片，以降低成本周边电路的应用成本； %26;#8226; 选用封装小的芯片，以满足便携产品对体积的要求； %26;#8226; 选用技术支持好的生产厂家，方便解决应用设计中的问题； %26;#8226; 选用产品资料齐全、样品和DEMO申请用易、能大量供货的芯片； %26;#8226; 选用产品性能/价格比好的芯片； LDO线性低压差稳压器 LDO线性低压差稳压器是最简单的线性稳压器，由于其本身存在DC无开关电压转换，所以它只能把输入电压降为更低的电压。它最大的缺点是在热量管理方面，因为其转换效率近似等于输出电压除以输入电压的值。例如，如果一个驱动图像处理器的LDO输入电源是从单节锂电池标称的3.6V，在电流为200mA时输出1.8V电压，那么转换效率仅为50%，因此在手机中产生了一些发热点，并缩短了电池工作时间。虽然就较大的输入与输出电压差而言，确实存在这些缺点，但是当电压差较小时，情况就不同了。例如，如果电压从1.5V降至1.2V，效率就变成了80%。 当采用1.5V主电源并需要降压至1.2V为DSP内核供电时，开关稳压器就没有明显的优势了。实际上，开关稳压器不能用来将1.5V电压降至1.2V，因为无法完全提升MOSFET(无论是在片内还是在片外)。标准低压差(LDO)稳压器也无法完成这个任务，因为其压差通常高于300mV。理想的解决方案是采用一个非常低压差(VLDO)稳压器，输入电压范围接近1V，其压差低于300mV，内部基准接近0.5V。这样的VLDO稳压器可以很容易地将电压从1.5V降至1.2V，转换效率为80%。因为在这一电压上的功率级通常为100mA左右，那么30mW的功率损耗是可以接受的。VLDO的输出纹波可低于1mVP-P。将VLDO作为一个降压型开关稳压器的后稳压器就可容易地确保低纹波。 开关式DC/DC升降压稳压器 %26;#8226; 当输入与输出的电压差较高时，开关稳压器避开了所有线性稳压器的效率问题。它通过使用低电阻开关和磁存储单元实现了高达96%的效率，因此极大地降低了转换过程中的功率损失。 %26;#8226; 选用开关频率高的DC/DC可以极大地缩小外部电感器和电容器的尺寸和容量，如超过2MHz的高开关频率。 %26;#8226; 开关稳压器的缺点较小，通常可以用好的设计技术来克服。但是电感器的频率外泄干扰较难避免，设计应用时对其EMI辐射需要考虑。 %26;#8226; 开关式DC/DC升降压稳压器按其功能分成Buck开关式DC/DC降压稳压器、Boost开关式DC/DC升压稳压器和根据锂电池的电压从4.2V降低到2.5V能自动切换降升压功能的Buck-Boost开关式DC/DC升降压稳压器。 电荷泵（Charge Pump） 电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升，采用电容器来贮存能量。电荷泵是无须电感的，但需要外部电容器。工作于较高的频率，因此可使用小型陶瓷电容(1μF)，使空间占用最小，使用成本低。电荷泵仅用外部电容即可提供%26;#177;2倍的输出电压。其损耗主要来自电容器的ESR(等效串联电阻)和内部开关晶体管的RDS（ON）。电荷泵转换器不使用电感，因此其辐射EMI可以忽略。输入端噪声可用一只小型电容滤除。它输出电压是工厂生产时精密予置的,调整能力是通过后端片上线性调整器实现的，因此电荷泵在设计时可按需要增加电荷泵的开关级数，以便为后端调整器提供足够的活动空间。电荷泵十分适用于便携式应用产品的设计。从电容式电荷泵内部结构来看,它实际上是一个片上系统。 线性稳压器与开关稳压器的比较 线性稳压器与开关稳压器的比较可从下表清楚看到。 LDO的内部结构 从图1中可以看到，LDO电流主通道在其内部是有一个MOSFET加一个过流检测电阻组成，肖特基二极管作反相保护，输出端的分压电阻取出返馈电去控制MOSFET的流通电流大小，EN使能端可从外部去控制它的工作状态，内部还设置过流保护、过温保护、信号放大、POWER-OK、基准源等电路，实际上LDO已是一多电路集成的SOC。LDO的ESD>4KV，HBM ESD>8KV。图2可见它的应用实例。 图1 LDO的内部结构 低压差稳压器 (LDOs)的应用 低压差稳压器的应用象三端稳压一样简单方便，一般在输入、输出端各加一个滤波电容器即可。电容器的材质对滤波效果有明显影响，一定要选用低 ESR的X7R %26;amp; X5R 陶瓷电容器。 关于低压差稳压器 (LDOs) 制造工艺 %26;#8226; LDO低压差稳压器串联使用，它不是一个开关，也不是传递一个比输出电压更高的电压； 一些LDO使用双极晶体管（Bipolar）工艺，从根本上来说，Bipolar和CMOS工艺二者在功能上没有区别，可是有一些内在的性能差别，成本不同； LDO布线考虑：降低噪音和纹波 LDO布线设计要点是考虑如何降低PCB板上的噪音和纹波，如何走好线是一个技巧加经验的工艺性细活，也是设计产品成功的关键之一。图3说明了如何设计走线电路图，掌握好电流回流的节点，有效的控制和降低噪音和纹波。优化布线方案是值得参考的。图4说明了PCB板布线（Layout ）的设计技巧，被推荐的布线方案解决了电流回流路径不良引出的噪音和纹波。 典型布线方案 优化布线方案 图3 布线电路方案考虑 Buck开关式DC/DC降压稳压器内部结构 从图5的Buck开关式DC/DC降压稳压器内部拓扑结构来看，这是一种采用恒定频率、电流模式降压架构，内置主（P沟道MOSFET）和同步（N沟道MOSFET）开关。PWM控制的振荡器频率决定了它的工作效率和使用成本。 DC/DC应用电路设计思考 图6 Buck开关式DC/DC应用线路设计 图6给出了Buck开关式DC/DC应用线路设计，需要注图中粗线的部分： %26;#9786; 粗线是大电流的通道； %26;#9786; 选用 MuRata, Tayo-Yuden, TDK %26;amp; AVX 品质优良、低 ESR的X7R %26;amp; X5R 陶瓷电容器； %26;#9786; 在应用环境温度高，或低供电电压和高占空比条件下（如降压）工作，要考虑器件的节温和散热。 图7给出了Buck开关式DC/DC应用PCB设计的实例，特别需要注意： %26;#9786; SW vs L1 距离 <4mm %26;#9786; Cout vs L1 距离 <4mm %26;#9786; SW、Vin、Vout、GND 的线必须粗短。 PCB板设计要点 要得到一个运作稳定和低噪音的高频开关稳压器，需要小心安排PCB板的布局结构，所有的器件必需靠近DC/DC，可以把PCB板按功能分成几块，如图所示。 1) 保持通路在Vin、Vout之间，Cin、Cout接地很短，以降低噪音和干扰； 2）R1、R2和CF的反馈成份必须保持靠近VFB反馈脚，以防噪音； 3）大面积地直接联接2脚和Cin、Cout的负端。 DC/DC的应用 1）APS1006应用于MCU/DSP核(Core)供电 2）DC/DC应用于0.8-1.8”微硬盘供电 4）APS1006、APS4070在智能手机上的应用 电荷泵应用技巧 电荷泵是一种无幅射的有效升压器件，它不使用电感器而使用电容器作为储能器件。在设计应用时需要注意电容器的容量和材质对输出纹波的影响。 外部电容器的容量关系到输出纹波，在固定的工作频率下，太小的电容容量，将使输出纹波增大。图12 图例是说明同一电荷泵的电容器容量影响输出纹波。 输出纹波大小与电容器材料介质有关，外部电容器的材料类型关系到输出纹波，图13 图例是说明同一电荷泵，使用相同的容量和尺寸而不同材料类型的电容器，输出纹波的结果。在工作频率固定，电容器容量相同的情况下，优良的材料介质，将有效地降低纹波。选用低 ESR的X7R %26;amp; X5R 陶瓷电容器是一种比较好的选择。 LCM 需要 MCM 电源模块 LCM（LCD Module）是目前CP、MP3/MP4、PMP需求量较大的产品，在有限的PCB面积上，需要按装LCD屏、数码相机的镜头和闪光灯、Audio DAC等器件，因此它需要封装很小的多芯片组合的电源模块（MCM），以减小电源IC所占PCB的面积，而手机产品又要求这些电源IC对RF几乎无干扰。图14说明了这种电源模块与LCM负载的关系。 锂电池充电IC内部架构 锂电池充电IC是一个片上系统（SOC），由图15 可以看到它由读取使能微控制器、2倍涓流充电控制器、电流环误差放大器、电压环误差放大器、电压比较器、温度感测比较器、环路选择和多工驱动器、充电状态逻辑控制器、状态发生器、多工器、LED信号发生器、MOSFET、基准电压、电源开机复位、欠电压锁定、过流/短路保护等十多个不同功能的IC整合在一个晶元上。它是一个高度集成、智能化芯片。 锂电智能充电过程：涓流充%26;#224;恒流充%26;#224;恒压充%26;#224;电压检测（图16），因此电路设计的关键是要做到：充分保护、充分充电、自动监测、自动控制。 锂电池保护 IC 锂电池保护电路是封装在锂电池包内的，它由一颗锂电池保护 IC和二颗MOSFET组成，如图17所示。锂电池保护电路简单工作原理如下： %26;#8226; 正常装态M1、M2均导通； %26;#8226; 过充电时M2 OC脚由高电位转至低电位，电闸关闭，截止充电，实现过充电保护； %26;#8226; 充电电流方向P+%26;#224;P- ； %26;#8226; 过放电时M1 OD脚由高电位转至低电位，电闸关闭，截止充放电，实现过放电保护； %26;#8226; 放电电流方向P- %26;#224;P+ ； 锂电池保护 IC Layout 技巧 锂电池保护电路的PCB板是很小的，设计时必须注意： 1）MOSFET尽可能接近B-、P-； 2）ESD防护电容器尽可能接近P+、P-； 3）相邻线间距>0.25mm，通过电流大的线要放宽，地线加宽。 图18锂电池保护电路的PCB板图可供设计参考。