便攜產品電源芯片關鍵應用與選擇

*LDO的內部結構（見圖1（a）所示）

從圖1（a）中所知，LOO的內部拓撲結構由作為電流主通道的MOSFET、作反向保護的肖特基二極曾、作輸出電流大小檢測的敏感電阻，過壓/過熱保護電路，輸出電壓取樣反饋電路、比較放大器、基準電源、使能電路等幾部分構成，新的LDO還包括開機系統(tǒng)自檢的Power OK。

LOO的內部拓撲結構由作為電流主通道的MOSFET、作反向保護的肖特基二極曾、作輸出電流大小檢測的敏感電阻，過壓/過熱保護電路，輸出電壓取樣反饋電路、比較放大器、基準電源、使能電路等幾部分構成，新的LDO還包括開機系統(tǒng)自檢的Power OK。

壓差、嗓音、共模抑止比、靜態(tài)電流是LDO的四大關鍵數據，產品設計員按產品負載對電性能的要求結合四大要素來選擇LDO。

　　*超低壓差穩(wěn)壓器（VLDO）

超低壓差穩(wěn)壓器（VLDO），輸入電壓范圍接近lV，其壓差低于100mV，甚至30mV，內部基準接近0.5V。VLDO的輸出紋波可低于1mVp-p。將VLDO作為一個降壓型開關穩(wěn)壓器的后穩(wěn)壓器就可容易地確保低紋波。

很明顯，VLDO適用于要求低輸入電壓、低輸出電壓和低電壓差的應用環(huán)境。由于便攜式無線設備通常都是由電池供電，因此VLDO也應當可以保護自己，避免遭受反向輸入和反向輸出電壓的損害。最后，VLDO應當也能夠與低等價串聯阻抗值（ESR）的電容器協(xié)同操作，并且擁有良好的電源調整率和負載調整率，擁有快速瞬時響應能力。

VLDO）例舉見圖1（b）所示，輸入電壓最低的LDO，直接由下1.5Vin供電，可提供下1A、2A和4A電流，無需偏置電源，取代用于1.5V輸出的開關穩(wěn)壓器。

這些器件不需要單獨的柵極偏置，從而簡化了設計。這些線性穩(wěn)壓器可分別從1.5V或1.8V輸入產生高效的1.2V或1.5V電源。因此可替代服務器、網絡和電信設計中價格昂貴、體積龐大的降壓型開關DC/DC轉換器，同時可實現80%的效率。Power-OK（POK）上電復位（POR）。

盡管VLDO設計可以適應較寬范圍電容值的輸出電容器，但考慮到尺寸和造價，也應當面向低ESR值的陶瓷電容器進行優(yōu)化。但是，輸出電容器的ESR 值影響穩(wěn)定性，尤其是電容值較小的電容器。因此，確保正確的電容值和ESR值十分重要。對于更為復雜的情況，在低壓設備內，如VLDO，輸出負載瞬時響應是輸出電容值的函數。較大的輸出電容值可以降低峰值偏差，當負載電流變化較大時可以提供改進的瞬時響應特性。

*開關穩(wěn)壓器的選擇

考慮到功率轉化過程中產生的熱量，工業(yè)界現在開始重新審視如何選擇穩(wěn)壓器了。由于開關穩(wěn)壓器擁有較高的效率，制造商已經采用了開關穩(wěn)壓器，以替代較為簡單的線性低壓差電壓穩(wěn)壓器。

開關穩(wěn)壓器克服廠輸入電壓和輸出電壓差別較大時線性穩(wěn)壓器效率太低的缺點。采用低阻值開關和磁存儲元件，開關穩(wěn)壓器的效率可高達96%，因此極大地降低了轉化過程中的功率損失。當開關操作頻率較高時，如大于2MHz，外部感應器和電容器的尺寸可以大幅度地減小。當主功率軌為3.3V時，采用開關穩(wěn)壓器具有意義。但當采用1.5V主源并需要降壓至1.2V為DSP內核供電時，開關穩(wěn)壓器就沒有明顯的優(yōu)勢了。實際上，開關穩(wěn)壓器不能用來將1.5V降至1.2V，因為無法完全提升MOSFET（無論是在片內還是在片外）。開關穩(wěn)壓器的缺點很少，并且經?？梢酝ㄟ^優(yōu)化設計技術來克服。

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　　*LDO的應用與選擇

圖1（c）所示為LDO的多種應用，它可以是標準電源、電池管理應用、開關轉換后調節(jié)器及多輸出配置等。

LDO的應用例舉（見圖1（d） ）所示。更細小的雙路低壓差線性穩(wěn)壓器MAX8530（見圖1（d） ）所示，可安裝于下1.8mm×1.8mm，為超晶片級封裝（UCSP）為蜂窩電話、PDA和數碼相機節(jié)省80%空間，100mV低壓差（于 100mA），200mA單輸出。因到2005年底時，CM0S LenS（透鏡）的像素提高到5M-10M以上，因而中高檔的DSC方案紛紛采用，CMOS Lens需要有三組不同電壓的電源，如1.8V和2.8V，電流在100mA-150mA，所以用雙MAX8530LDO是比較適宜（見圖1（e） ）。

需要說明的是，由于供電電源一般情況下往往是鋰離子電池，因此在輸出電壓低于3.3V時降壓轉換器可以提供更高的效率。但是，對于某些電源電壓而言，使用LDO更為合理。用于在處理器中產生內部時鐘信號的鎖相環(huán)（PLL）對任何噪聲都很敏感。因此，需要采用LDO為處理器的該部分供電。由于該區(qū)塊的電流一般為5mA-30mA，因此對整體效率的影響較小。實時時鐘（RTC）的供電也同樣如此。如果用接近于輸出電壓的電壓為LDO供電，則LDO就是一種名副其實的簡單、低成本、高效率解決方案。在采用 1.8V I/O電壓的應用中，可以通過該電壓軌為PLL-LDO供電，從而使其輸出電壓達到1.3V，效率達到72%。

3、DC/DC特征與應用

3.1 DC/DC特征

*當輸入與輸出的電壓差較高時，開關穩(wěn)壓器避開了所有線性穩(wěn)壓器的效率問題。它通過使用低電阻開關和磁存儲單元實現了高達96%的效率，因此極大地降低了轉換過程中的功率損失。

*選用開關頻率高的DC/DC可以極大地縮小外部電感器和電容器的尺寸和容量，如超過2MHz的高開關頻率。

*開關穩(wěn)壓器的缺點較小，通常可以用好的設計技術來克服。但是電感器的頻率外泄干擾較難避免，設計應時對其EMI幅射需要考慮。

3.2 DC/DC（Buck）應用電路設計與應用Layout的設計技巧

圖2（a）為DC/DC（Buck）應用電路設計方案，圖中粗線是大電流的通道，應選用MuRata，Tayo-yuden，Tdk&AVX品質優(yōu)良、低ESR’X7R&X5R陶瓷電容器。

DC/DC（Buck）應用Layout的設計技巧-PCS扳沒計要點

要得到一個運作穩(wěn)定和低噪音的高頻開關穩(wěn)壓器，需要小心安排pcb板的布局結構，所有的器件必需靠近DC/DC，可以把PCB按功能分成幾塊，如圖所示：保持通路在Vin、Vout之間，Cin、Cout接地很短：以降低噪音和擾；R1、R2和CF的反饋成份必須保持靠VFB反饋腳；大面積直接聯接 2腳和Cin、Cout負端。

圖2（b）為應用于MCU/DSP內核供電示意圖

 

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3.3 DC/DC（Boost）特征與應用

Boost DC/DC特點為微功耗、高效率，升壓DC/DC。

*L1必須輸出足夠載荷的電流，為輸出端供電，為輸出電容器充電；

*L1電感量不能太低，以至使得電流超過電流極限值，如超過了額定電流值，電感器將飽和，電感量會迅速下降，電流增大；

*C1是一個大水庫，當電感器充電時，它提供所有的輸出電流；

*C1必需選用低ESR的電容器。

圖2（c）為Boost DC/DC應用設計示意圖

3.3 選用自動升降壓（Buck-Boost）DC/DC穩(wěn)壓器前景看好

“升-降壓”（Buck-Boost）DC/DC穩(wěn)壓器件在許多電池供電的應用產品都需要采用這種穩(wěn)壓器，因為鋰離子電池供電的系統(tǒng)具有 VBATTV電壓特性，也由于應用所采用的許多IP塊都是3.3V的內核邏輯器件。當Vin大于降壓模式（Vout）時，“升-降壓”調節(jié)器作為降壓線性穩(wěn)壓器發(fā)揮作用，不過當Vin下降至低于某一給定閾值時，又會過渡成為升壓穩(wěn)壓器。Buck-BoostDC/DC可延電池壽命15-20%。

DC/DC（Boost）應用：無線鍵盤和鼠標、MP3、PDA、DSC、lcd屏、便攜式儀器儀表。

4、Charge Pump（電荷泵） 鮚構特征與選用

4.1 Charge PUmp鮚構特征

電荷泵的內部拓撲結構：由—開關電路按設定頻率高速開關、一個控制器、一個誤差放大器、一個基準源，一個取樣反饋電路組成。圖3（a）為Charge PUmp鮚構示意圖

電容式電荷泵通過開關陣列和振蕩器、邏輯電路、比較控制器實現電壓提升，采用電容器來貯存能量。電荷泵是無須電感的，但需要外部電容器。工作于較高的頻率，因此可使用小型陶瓷電容（1μlF），使空間占用最小，使用成本低。電荷泵僅用外部電容即可提供±2倍的輸出電壓。其損耗主要來自電容器的ESR （等效串聯電阻）和內部開關晶體管的Ros（on）。電荷泵轉換器不使用電感，因此其輻射EMI可以忽略。輸入端噪聲可用一只小型電容濾除。它輸出電壓是工廠生產時精密予置的，調整能力是通過后端片上線性調整器實現的，因此電荷泵在設計時可按需要增加電荷泵的開關級數，以使為后端調整器提供足夠的活動空間。電荷泵十分適用于便攜式應用產品的設計。從電容式電荷泵內部結構來看，它際上是一個片上系統(tǒng)。

 

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4.2 Charge Pump應用例舉-用于相機閃光燈的穩(wěn)壓電荷泵（見圖3（b））

MAXl570采用微小的4mmx4mmTQFN封裝，結合了高效率的l—1.5倍電荷泵和200mV的低壓差穩(wěn)流器，無須電感或鎮(zhèn)流電阻。該轉換器自動在1倍和1.5倍的電荷泵模式之間切換，以盡可能延長設備的電池壽命，如蜂窩電話、PDA和數碼相機等設備。在多達93%的電池使用容量范圍內，其 1倍電荷泵模式將白光LED的驅動效率提高了50%。LED電流可以采用數字或PWM信號進行控制。MAXl570具有電流匹配特性，還具有限制浪涌電流的軟起動，以及關斷模式下輸人和輸出完全斷開，消除了電池漏電等特性。

4.3 Charge Pump選用

線性穩(wěn)壓器和傳統(tǒng)的開關穩(wěn)壓器的最佳折衷是充電泵。充電泵的外部存儲元件是電容器，而非感應器。不采用感應器，就可以避免任何可能的電磁干擾；而電磁干擾將影響較為靈敏的射頻接收機或者藍牙芯片組的正常工作。但是，充電泵的潛在缺點是有限的輸入輸出電壓比率和有限的輸出電流驅動能力。

典型的電荷泵無需電感器，最少外部器件， 高效率，低成本。

5、便攜產電源電路的電容器功能

Cin濾去來自電源的噪音；Cout降低輸出紋波和噪音，同時它能在電容器充電時提供所有的輸出電流，因此輸出電容器的容量要求足夠大，猶如一水庫；CBy旁路電容器通常加在考源的輸出端，可使總噪音降低5-10倍，這個節(jié)點的阻抗比較高，必須使用低泄漏的電容器，以免其負載將參考電壓拉低； CF反饋電容器提供一個超前的正相移（fzf）抵消回路中由極點產生的某此滯后負相移（fpf），CF介入同時形成一個極點（tpf），一個零點。

*為何陶瓷電容器的選擇是首選

陶瓷電容器通常是便攜電子產品電路設計首選，因為它們價格低而且故障模式是斷路，相比之下鉭電容器比較昂貴且其故障模式是短路，有著火風險；輸出電容器的等效串聯電阻（ESR）會影響其穩(wěn)定性，陶瓷電容器具有較低的ESR，大概為幾毫歐量級，受到負載瞬變沖擊幾乎沒有ESR“階躍”電壓，而鉭電容器ESR在100毫歐量級；陶瓷電容器無極性、體積小； 另外，許多鉭電容器的ESR隨溫度變化很大，會對LDO Dc～DC性能產生不利影響。

6、結束語

如何應用與選擇好便攜產品的電源芯片有些是有些技巧，而要選擇好線性穩(wěn)壓器或者開關穩(wěn)壓器也非太容易。需要考慮到諸多因素，如噪聲的制約、空間的約束、轉換的效率（直接影響電池壽命），還有對發(fā)熱問題的考慮。幸好當今市場上有多種不同類型的穩(wěn)壓器可供選擇，而要做的是根據具體設計系統(tǒng)品的要求與條件來決定。

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來源：[db:出處]

作者：tee