便攜式電池供電應用中的DC/DC功率轉換

引言
便攜式消費類電子產品小型化的趨勢繼續在業界發展，隨之而來的便是電池及其相應容量可用空間不斷下降。同時，開發商業上可行的、能量密度更高從而補償電池空間降低的電池化學技術的相關工作則大幅減慢，這對工程師提出了許多設計挑戰，要求他們開發的解決方案既能實現更多的功能，又能保證更長的操作與待機時間。
因此，高效電源管理就成為電子設計中至關重要的因素。有三個設計考慮用以解決功效問題。首先，電池管理技術可提供工作時間長的電池；其次，處理器與外設等耗電系統組件管理可根據所需的系統性能進行功耗管理；第三，功率轉換過程本身也能將變化的電池電壓轉換為幾個恒定的系統電壓。
本文將討論上述第三種設計領域中的有關問題，并探討實現 DC/DC 高效轉換的現有技術以及相應的效率、空間和成本的綜合衡量考慮等問題。

功率轉換需求
目前，許多便攜式應用都采用鋰離子電池，這種電池在所有化學充電電池技術中提供了最高的能量密度，從而使電池的外形縮小。移動電話中單電池的電壓從滿到空通常在 4.2V~2.7V 之間，大部分放電周期中的電壓約為 3.7V。便攜式 DVD 播放機中串聯電池雙配置的電壓范圍為 8.4V~5.4V。單個堿性電池電壓范圍為 1.5V~0.9V。許多應用要求幾個電壓軌來支持多種系統組件。常見的電壓軌為：針對處理器內核的低于 1V 的電壓軌，針對存儲器的  2.5V 與 3.3V 電壓軌，針對擴展接口(如 Compact Flash 或 USB)的 5V 電壓軌，以及針對 LCD 偏置電壓或白色LED背光電路系統且超過 20V 的電壓軌。根據應用所需各種因素的綜合考慮，可得到幾種功率轉換備選方案。

LDO 穩壓器
將電壓降至下一級的最簡單方法就是使用 LDO穩壓器。LDO 根據負載電阻調節其調整元件(如 PMOS 晶體管)的內阻，從而在穩壓器輸出提供恒定電壓。由于 LDO 采取線性調節方案，因此幾乎沒有輸出紋波，從而非常適用于對供給音頻放大器、RF 電路系統或攝像機 CCD 感光器的“噪聲”開關模式穩壓輸出進行后置濾波。應特別注意噪聲以及電源抑制比 (PSRR) 的有關規范，這點非常重要。轉換效率由輸出電壓與輸入電壓之比決定。LDO 在 3.7 V 上生成 3.3 V 存儲器軌時效率高達 89%，但在相同電池的 3.7 V 軌上生成 1.1 V 內核電壓時效率就會大幅下降至 29%。這就意味著輸入穩壓器的功率有 71% 都作為熱量散發了。功率損耗的概略值可由輸入/輸出電壓差與通過線性調整元件電流的乘積獲得。這里應考慮在何種應用中使用 LDO，這點相當重要。如果成本與尺寸是最關鍵的設計因素，那么對電流需求低于 2A且輸入/輸出電壓差較低的應用而言，線性穩壓器將是最佳選擇。
LDO 通常只需要一個低成本的陶瓷輸入/輸出電容，它可支持很小的解決方案操作。但是，技術還在不斷發展。目前采用的凸起芯片級等超薄封裝的線性穩壓器擴展了 LDO 自身的優勢，利用其解決方案尺寸很小的特點，只需要幾個平方毫米的面積就能實現超小型解決方案。新式穩壓器甚至通過先進的內部電路設計取消了輸入/輸出電容器，從而進一步減小了解決方案的尺寸。圖 1 顯示了安裝在 3