可携式产品电源技术与趋势探讨-电子工程世界

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摘要：

随着手机、数码相机、笔记本计算机、多媒体播放器、可携式导航设备等消费电子产品的普及，用户希望它们集成的功能越来越多，价格越来越便宜，使用更加便捷，但是对于可携式电源系统的设计师来说，他们所要面临的问题是如何延长电池的使用寿命，能够快速方便的充电，安全高效地使用等，他们不但要考虑电源本身的参数设计，还要考虑电器设计、电源管理设计、PCB设计、电磁相容性设计、热设计、安全性设计等技术。

近几年来，由于消费电子产品的兴起，带动电源芯片市场成为电子领域持续关注的热点之一，据英国IMS Research公司预测资料，全球电源IC市场的规模今后5年内将以年均10％的速度扩大，到2011年该市场的销售额将达到150亿美元。除了配备电源IC的家电的供货量增加之外，复合电源管理的设计也趋于增加，而且电源效率高的产品也越来越受欢迎，这些都将推动市场的增长。另外，在调查的对象当中，除市场核心产品稳压器外，还包括电源控制、驱动IC及电源管理单元PMU。另据市场调研公司Databeans 的分析资料，随着市场对电子元器件需求的强劲增长，特别是在通信和消费电子的共同推动下，未来5年，电源管理晶片（包括集成和分立元器件）将以每年10%的速度增长，其中仿真器件是增长最快的领域，而以DC-DC转换器、低压差稳压器和电池管理表现最为抢眼。

低压差线性稳压器LDO

可携式电子产品不管是由交流适配器供电还是由锂电池供电，工作过程中，电源电压都将在很大范围内变化。为了保证供电电压稳定不变，几乎所有的电子设备都采用稳压器供电。稳压器能够提供一种不随负载阻抗、输入电压、温度和时间变化而变化稳定的电源电压、低压差稳压器因其能够在电源电压（输入端）与负载电压（输出端）之间保持微小压差而著称。例如，如果锂电池电压从4.2V（全充电）下降到2.7V（几乎全放电），而LDO可在负载端保持2.5V恒定电压。

LDO通常包括一个基准电压源、一个比例输出电压与基准电压比较环节、一个回馈放大器和一个串联调整管组成（双级型电晶体或FET管）组成，用放大器控制稳压器的压降维持要求的输出电压值。例如，如果负载电流下降，会引起输出电压显著上升，误差电压增大，放大器的输出上升，调整管两端的电压会增加，因此输出电压回到其原始值。

在图1中，误差放大器和PMOS电晶体构成压控电流源。输出电压V_OUT按分压比（R1，R2）成比例下降，并且将其与基准电压（V_REF）比较。误差放大器的输出控制增强型PMOS电晶体。

稳压器的“压差”是指输出电压和输入电压之间的压差，如果此输入电压继续减小，那么该电路便不能稳定。通常认为当输出电压下降到低于标称值100mV时是达到的目标。表征LDO稳压器的关键指标取决于负载电流和调整管的PN结温度。

在图1中，调整管是PMOS电晶体。然而稳压器可能使用各种类型的调整管，因此可以根据所使用的调整管类型对LDO分类。不同结构和特性的LDO具有不同的优点和缺点。四种类型的调整管示例如图2所示，包括NPN双核型电晶体，PNP双核型电晶体、复合型电晶体和PMOS电晶体。

对于给定的电源电压，双核型调整管可提供最大的输出电流。PNP优于NPN，因为PNP的基极可以与地连接，必要时使电晶体完全饱和。NPN的基极只能与尽可能高的电源电压连接，从而使最小压降限制到一个V_BE结压降。因此，NPN管和复合调整管不能提供小于1V的压差。然而它们在需要宽频宽和抗容性负载干扰时非常有用（因为它们具有低输出阻抗Z_OUT特性）。

PMOS和PNP电晶体可以快速达到饱和，从而能使调整管电压损耗和功耗最小，而允许用作低压差、低功耗稳压器。PMOS调整管可以提供尽可能最低的电压降，大约等于R_DS_（ON）XI_L，它允许达到最低的静态电流。PMOS调整管的主要缺点是MOS电晶体通常用作外部器件，特别是当控制大电流时，从而使IC构成一个控制器，而不能构成一个自身完整的稳压器。

一个完整稳压器的总功耗是：

P_D=（V_IN-V_OUT）I_L+V_INI_GND

上面关系式的第一部分是调整管的功耗；第二部分是电路控制器部分的功耗。有些稳压器的接地电流，特别是那些用饱和双级型晶体管作调整管的稳压器会在上电期间达到峰值。

LDO通常使用一个回馈环路在输出端提供一个与负载无关的恒定电压。因为对于任何高增益回馈来说，环路增益传递函数中极点和零点的位置都决定其稳定性。

基于NPN管的稳压器具有低阻抗射极负载输出，倾向于对输出容性负载很不敏感。然而，基于PNP管和PMOS管的稳压器具有较大的输出阻抗（在基于PNP管的稳压器中具有高阻抗集电极负载）。此外，环路增益和相位特性强烈依赖负载阻抗，因此对于稳定性问题需要特别考虑。

基于PNP管的LDO和基于PMOS管的LDO的传递函数具有几个影响稳定性的极点：主极点（P0）由误差放大器决定；第二极点（P1）由输出电抗决定；第三极点（P2）有调整管附近的寄生电容决定。

如图3所示，每个极点产生每10倍频程20dB的增益下降并且伴随90°的相移。因为这里所讨论的LDO有多个极点，所以如果单位增益频率处的相移达到-180°，线性稳压器会变得不稳定。图3还示出了容性负载对稳压器的影响，其等效串联电阻（ESR）会在传递函数中增加一个零点（Z_ESR）。该零点有助于补偿其中一个极点，并且如果该极点出现在单位增益频率以下时有助于稳定环路并且保持相应频点的相移低于-180°。

ESR对于维持稳定性可能是至关重要的，特别对于使用纵向PNP调整管的LDO。然而，由于电容器的寄生特性，所以ESR不总是好控制。电路可能需要ESR集中在某个窗视范围内以确保LDO工作在对于所有输出电流都稳定的区域（见图4）。

图5所示的原理图示出了一个环路如何提供稳压和基准电压功能。用外部R1-R2分压电阻检测输出电压，然后输出电压通过二极体D1和R3-R4分压电阻反馈回高增益放大器的输入。当达到平衡时，放大器产生一个很大的、可重复的和容易控制的偏移电压，该电压是与绝对温度成比例（PTAT）的。PTAT电压与热敏二极体电压降相结合一起构成隐含的基准电压，该基准电压是不受温度影响的虚拟带隙式电压。

此放大器的输出连接到一个同相驱动器以控制调整管，利用米勒极点分离的补偿方法降低对负载电容器的电容值、电容器类型和ESR的要求。极点分离方法的另外一个优点是具有优异的电源杂讯抑制和很高的稳压器增益，从而可提供非常高的精度和优异的输出电源调整率和负载调整率。

选择LDO要根据电源电压范围、负载电压和所需的最大压差。不同器件的主要差别集中在功耗、效率、价格、容易使用以及各种技术指标和提供的封装形式。

图6示出了ADP1710在输入电容C_IN = 1μF和输出电容C_OUT= 1μF以及ADP1711在C_IN= 22μF和C_OUT= 22μF几乎满载负载条件下的典型瞬态回应比较。

电源DC/DC转换器

为了减小体积和重量，低功耗便携产品大多采用数量有限的电池供电，这就存在两个重要问题：首先是随着电池放电，其端电压会明显降低；其次是电池具有一定内阻，而且随着放电内阻逐渐增大，在负载发生变化时造成输出电压的变化。为了保证系统稳定、可靠地工作，需要一个稳定的电源电压。

由于大多数情况需要提升电池电压，简单的三端线性稳压器无法满足要求，只能采用升压型开关稳压器。但是传统的开关电源设计电路复杂、体积庞大且自身功耗较大，无法在体积和功耗要求严格的可携式产品中使用，而Maxim公司推出的MAX167X系列升压型DC-DC转换器是适合于1~3节电池供电的低功率便携产品。

升压型DC-DC转换器的电路结构如图7所示。开关K导通时电池B给电感L充电，在L中以场的形式储存能量1/2LI2（I为电感电流）。K断开后，L中的磁能又以电能的形式释放给滤波电容C2和负载RL。周期性的开关操作使电池能量源源不断地送入负载，而输出电压被转换为：

V_OUT = Vin /（1-δ）

其中δ为开关占空比（导通时间占工作周期的比率）。控制电路监测输出电压并控制占空比，从而达到调节和稳定输出电压的目的。控制方式最常见的有PFM（脉冲频率调制）和PWM（脉冲宽度调制）两种。前者具有较小的静态电流，轻载情况下效率较高，但纹波稍大。后者在重载时具有较高效率，杂讯小。

MAX167X系列升压型DC-DC转换器采用一种改进的限流PFM控制方式，控制电路限制电感充电电流，使其不超过某一峰值电流。既保持了传统PFM的低静态电流，同时在较重负载下也具有很高的效率，而且由于限制了峰值电流，采用很小体积的周边元件就可获得满意的输出纹波，利于降低电路的尺寸和成本。

除了控制方式的改进外，MAX167X还采用另外两种技术以获得更高的性能：提高效率的同步整流和降低EMI（电源干扰）的阻尼换流。图7电路中，流过整流管D的平均电流I_D等于负载电流，正向压降V_DF造成转换效率的损失大约为V_DF/V_OUT。即使采用正向压降较低的肖特基二极管，V_DF仍有0.4~0.6V，输出电压比较低时（如3.3V），这种损失不容忽视（可达18%）。同步整流就是采用另外一双MOSFET替代二极管作为整流器。由于MOSFET的沟道电阻非常低，使整流器的功耗大大降低。

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