本文详述电源电路的最新发展状况。文中还将介绍数款器件,说明电路架构与封装技术的进步如何促成体积更小的电源解决方案。
把不同功能集成到同一芯片是PDA、便携式导航系统 (GPS) 和智能型手机等便携式产品的发展趋势。就在几年前,应用产品的每一组电源都需要单独的电源转换器,但随着电池供电型产品的功能日益复杂,电源设计也开始改变,把产品所需的各种电源整合在一起已成为潮流,除了处理器所需的电源外,还有蓝牙模块、无线网络模块和屏幕等其它功能也需要独立的电源。在这类应用中,电源供应方式可分为几种:
* 采用内含其它功能的电源供应芯片,例如 CODEC、ADC、音频放大器和充电器等
* 单个芯片提供全部所需电源
* 功能模块专用的电源转换器
本文将介绍后面两种解决方案。在设计中采用功能模块专用的电源转换器有几项优点:首先是电路板的零件位置更容易安排,因为它们可直接放在处理器或无线网络模块等供电目标的旁边。其次,电路板布局更简单,因为信号不必穿越整张电路板。另外,这些电源与其它电路之间的耦合也会降至最低,这对GPS模块或锁相回路 (PLL) 等敏感性电源特别重要。
这种做法对于以现有解决方案为基础的后续产品开发计划也有好处,因为当工程师要改变产品设计时,他们可将变动范围局限在功能模块层级 – 设计人员只需修改功能升级的部份,其它电路则保持不变;相较之下,若应用只有一个电源芯片,工程师就要花更多精神让设计符合新要求。由于缩短开发时间已成为产品成功的关键,这类电源供应方式显然具有相当优势。
要提供这种解决方案,电源芯片必须达到几项要求。首先必须有一系列器件提供所需的各种电源,且其体积必须尽量缩小,以免占用太多电路板空间。其次,这些芯片应很容易针对不同的需求搭配不同的解决方案。德州仪器 (TI) 的TPS6502x和TPS6505x系列就是例子,这些器件专门为手持装置的应用处理器提供电源。由于不同系列的处理器会有不同的需要,它们也有专属芯片来支持个别型号或个别系列的处理器及应用。
一般而言,使用电池的应用都会要求电源在很大的输出电流范围内维持高效率,因此所有器件的操作都必须针对静态电流最佳化。所谓静态电流是芯片在不提供任何输出电流的情形下,继续维持输出电压所需的电流,这项参数对必须长时间处在待机模式的应用很重要。低静态电流不但延长应用的待机时间,对直流电源转换器在超低输出电流下的工作效率也有很大影响。
降压转换器等直流电源转换器的效率会受到三项因素影响:输出电流很大时,效率主要由内部电源开关的阻抗决定,因此低阻抗对这个操作范围很重要。对于采用固定频率脉宽调制 (PWM) 的降压转换器来说,负载周期是由输入对输出电压的比值决定。输出电压很小时,内部下端开关 (NMOS) 的导通时间会远超过上端开关 (PMOS);如果输出电压很高,就变成上端开关的导通时间比较长。因此若假设所有转换器的输入电压都相同,设计人员就应针对转换器的目标输出电压来选择开关的大小和阻抗;一般来说,便携式应用的锂离子电池的电压范围大约从4.2V到3.0V,未来还可能进一步降低到2.5V。
当输出电流在10-200mA范围时,主要耗电来源就不再是开关阻抗,而是由电源开关的闸极电荷和电感功耗决定其效率。利用开关频率控制输出电流是在此操作范围保持高效率的重要技巧,这种做法称为脉冲频率调制 (PFM)。PFM基本上会提供固定的电能到输出端:输出电流很大时,开关频率就比较高,输出电流低时则降低开关频率,进而减少开关功耗。转换器的输出电流很低时,静态电流造成的固定功耗就如前所述决定整体的效率。
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推荐阅读最新更新时间:2023-10-12 22:38
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