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        便攜式應用中的DC-DC 變換器

        作者: 時間:2004-07-23 來源:電子產品世界 收藏
        DC-DC的開關型電源變換器在整個電子行業中正得到越來越多的應用。對于電路板空間和發熱管理都異常嚴格的便攜式應用來說,經濟高效的電源變換器將起到特別關鍵的作用。如今,在決定是采用線性低壓降(LDO)穩壓器、電感型開關模式DC-DC變換器還是電容電荷泵DC-DC變換器來完成電源轉換方面,便攜式應用的設計者要綜合考慮許多因素——總成本、效率、集成度、設計靈活性和封裝,并作出折衷選擇。
        當今的許多便攜式應用采用單格鋰離子電池,在各種化學成分不同的可充電電池中,它的能量密度是最高的,可以實現的外形最小。從充滿到放空的過程中,電池電壓一般從4.2V降到2.7V,在放電周期大部分時間中單格電池的電壓約為3.7V。不可充電的單格或雙格式堿性電池也很流行。每個電池的電壓范圍是1.5V~0.9V。在許多應用中,需要提供種類不少的電源電壓,來滿足系統中各類器件的要求。處理器核常用的電源是1.1V,存儲器要用2.5V和3.3V的電源,Compact Flash或USB等擴展接口所用的電源為5V,而LCD偏壓或白光LED顯示背光電路要求28V的電源。由于折衷考慮各種因素時側重點不同,設計者們推出了多種不同的電源變換方式。圖1對各種DC-DC變換器結構進行了一個簡要的總結。

        圖1 各種電壓轉換方法的結構


        圖2  采用SOT-23封裝的電荷泵,用于驅動一個白光LED

        現有的解決方案
        LDO穩壓器可適用于降壓變換,具體效果與I/O電壓比有關。從基本原理來說,LDO根據負載電阻的變化情況來調節自身的內電阻,從而保證穩壓輸出端的電壓不變。轉換效率可以簡單地看作輸出與輸入電壓之比。盡管在從3.7V電池電壓到3.3V存儲器電壓變換過程中,LDO的效率高達89%,但是在將同樣的電池輸出變換成1.1V處理器核電源時,效率只有29%。如今LDO以芯片級封裝等各種形式出現,所占面積僅為幾個平方毫米,而且在小型應用時只要求一個陶瓷輸入和輸出電容即可工作。由于采用線性調節原理,LDO本質上沒有輸出紋波,一個理想的應用是對“強噪聲”的開關型穩壓器輸出進行濾波,為聲頻放大器或RF電路供電。LDO的I/O電壓之間的差別擴大以及輸出電流增加時,LDO的發熱也按比例增大。功率損失可以近似由I/O電壓差乘以流過線性通路元件的電流得到。
        電荷泵,也稱為開關電容式電壓變換器,是一種利用所謂的“快速”(flying)或“泵送”電容(而非電感或變壓器)來儲能的DC-DC變換器。它們能使輸入電壓升高或降低,也可以用于產生負電壓。其內部的FET開關陣列以一定方式控制快速電容器的充電和放電,從而使輸入電壓以一定因數(0.5,2或3)倍增或降低,從而得到所需要的輸出電壓。這種特別的調制過程可以保證高達80%的效率,而且只需外接陶瓷電容。由于電路是開關工作的,電荷泵結構也會產生一定的輸出紋波和EMI(電磁干擾)。一些電荷泵架構采用了雙電荷泵形式,并增加一級輸出電壓調節,以減小EMI和紋波。電荷泵最大輸出電流只限于約300mA,主要受到集成的開關晶體管和外接“快速”電容的尺寸限制。電荷泵可以采用小外形的SOT-23或無引腳的QFN封裝,從而有助于節省電路板面積,為要求效率高于LDO器件、而空間不夠或成本預算不足以支持采用更高效的電感型DC-DC變換器應用,提供了一種解決方案。圖2示出了一個電荷泵實例,它用于驅動一個用作顯示器背光的白光LED。
        電感型開關式DC-DC 變換器利用了磁場儲能,不論是升壓、降壓還是兩者同時進行,都可以實現最高的電源轉換效率。盡管它與線性或電荷泵式器件相比要求更大的電路板面積,但對于要求更大電流的應用來說卻十分理想。由于轉換效率很高,因此發熱很小,這也使得散熱處理得以簡化。特別是,與LDO器件相比時,它常常不需要附加一個占大量空間的、成本較高的散熱器。其高達97%的效率也提高了電池壽命。DC-DC 變換器也以DC-DC 控制器形式出現,它能夠保證設計有很大的靈活性,設計者可以選用有特定導通電阻的外接FET晶體管,并根據應用的需要調整電流限。這在需要數十安培電流的非便攜式設備中非常有用。先進封裝技術也使得開關晶體管能集成到器件中,使得開關式DC-DC變換所能提供的電流范圍從SOT-23形式封裝的100mA電流到芯片級TSSOP-28形式封裝的9A。考慮到集成有FET的電感型開關模式DC-DC變換器的電流輸出能力和效率,它使用時只需外接一個電感和必不可少的輸入、輸出電容,故可以使整個解決方案的空間利用率大大提高。

        圖 3  由單格堿性電池供電的升壓DC-DC變換和LDO組合模塊


        圖4  單鋰離子電池應用中的DC-DC降壓變換器

        圖3中的實例表明了如何結合線性調節方法來有效利用DC-DC 變換器。該升壓DC-DC變換器可以將來自一個堿性電池的1.5V~0.9V電壓輸入提升到3.3V的系統電源電壓。在同一芯片中集成的LDO電路隨后把該電壓向下變換為一個1.8V的處理器核電源電壓。兩種功能模塊都集成在4mm


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