应用与选择好便携产品的电源芯片.doc

应用与选择好便携产品的电源芯片鲁思慧1、便携产品常用电源管理芯片分类低压差稳压器(LDO)与超低压差稳压器(VLDO)；基于电感器储能的DC/DC，BUCK、Boost、BUCK-Boost；基于电容器储能的Charge Pumps(又称无感应器的开关稳压器)；电池充电管理BatteryChargers及锂电池保护。1.1选用电源管理芯片的几点考虑选用生产工艺成熟，品质优秀的生产厂家产品；选用工作频率高的芯片，以降低成本周边电路的应用成本；选用封装小的芯片，以满足便携产品对体积的要求；选用技术支持好的生产厂家，方便解决应用设计中的问题；选用产品资料齐全、样品和DEMO申请容易、能大量供货的芯片；选用产品性能/价格比好的芯片。1.2首先应从便携产品电源系统设计要求出发便携产品电源设计需要系统级思维，在开发由电池供电的设备时，诸如手机、MP3、PDA、PMP、DSC等低功耗产品，如果电源系统设计不合理，则会影响到整个系统的架构、产品的特性组合、元件的选择，软件的设计和功率分配架构等。同样，在系统设计中，也应从节省电池能量的角度出发多加考虑。现在便携产品的处理器，一般都设有几个不同的工作状态，通过不同的节能模式(空闲、睡眠、深度睡眠等)可减少对电池容量的消耗，所谓的空闲和休眠模式通常是基于以下事实，即通过关闭处理器部分不使用的内部电路来降低处理器的功耗。2、 LDO特征与应用处理器越先进，为其供电就需要采用更多不同的电源电压。这可通过采用多个单通道转换器来实现，如标准的线性低压差稳压器(LDO)。LDO线性低压差稳压器是最简单的线性稳压器，由于其本身存在DC无开关电压转换，所以它只能把输入电压降为更低的电压,它最大的优点是使用方便而简单、低成本；它的缺点是在热管理方面,因其转换效率近似等于输出电压除以输入电压的值。*LDO的内部结构(见图1(a)所示)从图1(a)中所知,LOO的内部拓扑结构由作为电流主通道的MOSFET、作反向保护的肖特基二极曾、作输出电流大小检测的敏感电阻，过压/过热保护电路，输出电压取样反馈电路、比较放大器、基准电源、使能电路等几部分构成，新的LDO还包括开机系统自检的Power OK。LOO的内部拓扑结构由作为电流主通道的MOSFET、作反向保护的肖特基二极曾、作输出电流大小检测的敏感电阻，过压/过热保护电路，输出电压取样反馈电路、比较放大器、基准电源、使能电路等几部分构成，新的LDO还包括开机系统自检的Power OK。压差、嗓音、共模抑止比、静态电流是LDO的四大关键数据，产品设计人员按产品负载对电性能的要求结合四大要素来选择LDO。*超低压差稳压器(VLDO)超低压差稳压器(VLDO),输入电压范围接近lV，其压差低于100mV,甚至30mV，内部基准接近0.5V。VLDO的输出纹波可低于1mVp-p。将VLDO作为一个降压型开关稳压器的后稳压器就可容易地确保低纹波。很明显，VLDO适用于要求低输入电压、低输出电压和低电压差的应用环境。由于便携式无线设备通常都是由电池供电，因此VLDO也应当可以保护自己，避免遭受反向输入和反向输出电压的损害。最后，VLDO应当也能够与低等价串联阻抗值(ESR)的电容器协同操作，并且拥有良好的电源调整率和负载调整率，拥有快速瞬时响应能力。VLDO)例举见图1(b)所示，输入电压最低的LDO，直接由下1.5Vin供电，可提供下1A、2A和4A电流，无需偏置电源，取代用于1.5V输出的开关稳压器。这些器件不需要单独的栅极偏置，从而简化了设计。这些线性稳压器可分别从1.5V或1.8V输入产生高效的1.2V或1.5V电源。因此可替代服务器、网络和电信设计中价格昂贵、体积庞大的降压型开关DC/DC转换器，同时可实现80%的效率。Power-OK(POK)上电复位(POR)。尽管VLDO设计可以适应较宽范围电容值的输出电容器，但考虑到尺寸和造价，也应当面向低ESR值的陶瓷电容器进行优化。但是，输出电容器的ESR值影响稳定性，尤其是电容值较小的电容器。因此，确保正确的电容值和ESR值十分重要。对于更为复杂的情况，在低压设备内，如VLDO，输出负载瞬时响应是输出电容值的函数。较大的输出电容值可以降低峰值偏差，当负载电流变化较大时可以提供改进的瞬时响应特性。*开关稳压器的选择考虑到功率转化过程中产生的热量，工业界现在开始重新审视如何选择稳压器了。由于开关稳压器拥有较高的效率，制造商已经采用了开关稳压器，以替代较为简单的线性低压差电压稳压器。开关稳压器克服厂输入电压和输出电压差别较大时线性稳压器效率太低的缺点。采用低阻值开关和磁存储元件，开关稳压器的效率可高达96%，因此极大地降低了转化过程中的功率损失。当开关操作频率较高时，如大于2MHz，外部感应器和电容器的尺寸可以大幅度地减小。当主功率轨为3.3V时，采用开关稳压器具有意义。但当采用1.5V主源并需要降压至1.2V为DSP内核供电时，开关稳压器就没有明显的优势了。实际上，开关稳压器不能用来将1.5V降至1.2V，因为无法完全提升MOSFET(无论是在片内还是在片外)。开关稳压器的缺点很少，并且经常可以通过优化设计技术来克服。*LDO的应用与选择图1(c)所示为LDO的多种应用，它可以是标准电源、电池管理应用、开关转换后调节器及多输出配置等。LDO的应用例举(见图1(d) )所示。更细小的双路低压差线性稳压器MAX8530(见图1(d) )所示，可安装于下1.8mm1.8mm,为超晶片级封装(UCSP)为蜂窝电话、PDA和数码相机节省80%空间，100mV低压差(于100mA),200mA单输出.因到2005年底时，CM0S LenS(透镜)的像素提高到5M-10M以上，因而中高档的DSC方案纷纷采用，CMOS Lens需要有三组不同电压的电源，如1.8V和2.8V,电流在100mA-150mA，所以用双MAX8530LDO是比较适宜(见图1(e) )。需要说明的是,由于供电电源一般情况下往往是锂离子电池，因此在输出电压低于3.3V时降压转换器可以提供更高的效率。但是，对于某些电源电压而言，使用LDO更为合理。用于在处理器中产生内部时钟信号的锁相环(PLL)对任何噪声都很敏感。因此，需要采用LDO为处理器的该部分供电。由于该区块的电流一般为5mA-30mA，因此对整体效率的影响较小。实时时钟(RTC)的供电也同样如此。如果用接近于输出电压的电压为LDO供电，则LDO就是一种名副其实的简单、低成本、高效率解决方案。在采用1.8V I/O电压的应用中，可以通过该电压轨为PLL-LDO供电，从而使其输出电压达到1.3V，效率达到72%。3、DC/DC特征与应用3.1 DC/DC特征*当输入与输出的电压差较高时，开关稳压器避开了所有线性稳压器的效率问题。它通过使用低电阻开关和磁存储单元实现了高达96%的效率，因此极大地降低了转换过程中的功率损失。*选用开关频率高的DC/DC可以极大地缩小外部电感器和电容器的尺寸和容量，如超过2MHz的高开关频率。*开关稳压器的缺点较小，通常可以用好的设计技术来克服。但是电感器的频率外泄干扰较难避免，设计应时对其EMI幅射需要考虑。3.2 DC/DC(Buck)应用电路设计与应用Layout的设计技巧图2(a)为DC/DC(Buck)应用电路设计方案，图中粗线是大电流的通道，应选用MuRata，Tayo-yuden，Tdk&AVX品质优良、低ESRX7R&X5R陶瓷电容器。DC/DC(Buck)应用Layout的设计技巧-PCS扳没计要点要得到一个运作稳定和低噪音的高频开关稳压器，需要小心安排PCB板的布局结构,所有的器件必需靠近DC/DC，可以把PCB按功能分成几块，如图所示：保持通路在Vin、Vout之间，Cin、Cout接地很短：以降低噪音和扰；R1、R2和CF的反馈成份必须保持靠VFB反馈脚；大面积直接联接2脚和Cin、Cout负端。图2(b)为应用于MCU/DSP内核供电示意图3.3 DC/DC(Boost)特征与应用Boost DC/DC特点为微功耗、高效率，升压DC/DC。*L1必须输出足够载荷的电流，为输出端供电，为输出电容器充电；*L1电感量不能太低，以至使得电流超过电流极限值，如超过了额定电流值，电感器将饱和，电感量会迅速下降，电流增大；*C1是一个大水库，当电感器充电时，它提供所有的输出电流；*C1必需选用低ESR的电容器。图2(c)为Boost DC/DC应用设计示意图3.3 选用自动升降压(Buck-Boost)DC/DC稳压器前景看好“升-降压”(Buck-Boost)DC/DC稳压器件在许多电池供电的应用产品都需要采用这种稳压器，因为锂离子电池供电的系统具有VBATTV电压特性，也由于应用所采用的许多IP块都是3.3V的内核逻辑器件。当Vin大于降压模式(Vout)时，“升-降压”调节器作为降压线性稳压器发挥作用，不过当Vin下降至低于某一给定阈值时，又会过渡成为升压稳压器。Buck-BoostDC/DC可延长电池寿命15-20%。DC/DC(Boost)应用：无线键盘和鼠标、MP3、PDA、DSC、LCD屏、便携式仪器仪表。4、Charge Pump(电荷泵) 鲒构特征与选用4.1 Charge PUmp鲒构特征电荷泵的内部拓扑结构：由开关电路按设定频率高速开关、一个控制器、一个误差放大器、一个基准源，一个取样反馈电路组成。图3(a)为Charge PUmp鲒构示意图电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升，采用电容器来贮存能量。电荷泵是无须电感的，但需要外部电容器。工作于较高的频率，因此可使用小型陶瓷电容(1lF)，使空间占用最小，使用成本低。电荷泵仅用外部电容即可提供2倍的输出电压。其损耗主要来自电容器的ESR(等效串联电阻)和内部开关晶体管的Ros(on)。电荷泵转换器不使用电感，因此其辐射EMI可以忽略。输入端噪声可用一只小型电容滤除。它输出电压是工厂生产时精密予置的，调整能力是通过后端片上线性调整器实现的，因此电荷泵在设计时可按需要增加电荷泵的开关级数,以使为后端调整器提供足够的活动空间。电荷泵十分适用于便携式应用产品的设计。从电容式电荷泵内部结构来看,它际上是一个片上系统。4.2 Charge Pump应用例举-用于相机闪光灯的稳压电荷泵（见图3(b)）MAXl570采用微小的4mmx4mmTQFN封装，结合了高效率的l1.5倍电荷泵和200mV的低压差稳流器，无须电感或镇流电阻。该转换器自动在1倍和1.5倍的电荷泵模式之间切换，以尽可能延长设备的电池寿命，如蜂窝电话、PDA和数码相机等设备。在多达93%的电池使用容量范围内，其1倍电荷泵模式将白光LED的驱动效率提高了50%。LED电流可以采用数字或PWM信号进行控制。MAXl570具有电流匹配特性，还具有限制浪涌电流的软起动，以及关断模式下输人和输出完全断开，消除了电池漏电等特性。4.3 Charge Pump选用线性稳压器和传统的开关稳压器的最佳折衷是充电泵。充电泵的外部存储元件是电容器，而非感应器。不采用感应器，就可以避免任何可能的电磁干扰；而电磁干扰将影响较为灵敏的射频接收机或者蓝牙芯片组的正常工作。但是，充电泵的潜在缺点是有限的输入输出电压比率和有限的输出电流驱动能力。典型的电荷泵无需电感器，最少外部器件, 高效率，低成本。5、便携产电源电路的电容器功能Cin滤去来自电源的噪音；Cout降低输出纹波和噪音，同时它能在电容器充电时提供所有的输出电流，因此输出电容器的容量要求足够大，犹如一水库；CBy旁路电容器通常加在参考源的输出端，可使总噪音降低5-10倍，这个节点的阻抗比较高，必须使用低泄漏的电容器，以免其负载将参考电压拉低； CF反馈电容器提供一个超前的正相移(fzf)抵消回路中由极点产生的某此滞后负相移(fpf)，CF介入同时形成一个极点(tpf)，一个零点。*为何陶瓷电容器的选择是首选陶瓷电容器通常是便携电子产品电路设计首选,因为它们价格低而且故障模式是断路，相比之下钽电容器比较昂贵且其故障模式是短路，有着火风险；输出电容器的等效串联电阻(ESR)会影响其稳定性，陶瓷电容器具有较低的ESR，大概为几毫欧量级，受到负载瞬变冲击几乎没有ESR“阶跃”电压，而钽电容器ESR在100毫欧量级；陶瓷电容器无极性、体积小； 另外，许多钽电容器的ESR随温度变化很大，会对LDO DcDC性能产生不利影响。6、结束语如何应用与选择好便携产品的电源芯片有些是有些技巧,而要选择好线性稳压器或者开关稳压器也非太容易。需要考虑到诸多因素，如噪声的制约、空间的约束、转换的效率(直接影响电池寿命)，还有对发热问题的考虑。幸好当今市场上有多种不同类型的稳压器可供选择,而要做的是根据具体设计系统品的要求与条件来决定。便携产品电源芯片的应用技术上传者：dolphin浏览次数:249 便携产品电源系统设计要求便携产品电源设计需要系统级思维，在开发由电池供电的设备时，诸如手机、MP3、PDA、PMP、DSC等低功耗产品，如果电源系统设计不合理，则会影响到整个系统的架构、产品的特性组合、元件的选择、软件的设计和功率分配架构等。同样，在系统设计中，也要从节省电池能量的角度出发多加考虑。例如现在便携产品的处理器，一般都设有几个不同的工作状态，通过一系列不同的节能模式（空闲、睡眠、深度睡眠等）可减少对电池容量的消耗。即当用户的系统不需要最大处理能力时，处理器就会进入电源消耗较少的低功耗模式。从便携式产品电源管理的发展趋势来看，需要考虑这样几个问题：1）电源设计必须要从成本、性能和产品上市时间等整个系统设计来考虑；2）便携产品日趋小巧薄型化，必需考虑电源系统体积小、重量轻的问题；3）选用电源管理芯片力求高集成度、高可靠性、低噪声、抗干扰、低功耗、突破散热瓶颈，延长电池寿命；4）选用具有新技术的新产品电源芯片，将新的电源芯片应用于新的设计方案中去，是保证新产品先进性的基本条件，也是便携产品电源管理的永恒追求。 便携产品常用电源管理芯片 低压差稳压器（LDO Linear Regulators ）LDOVLDO； 基于电感器储能的DC/DC Converters (Inductor Based Switching Regulators) BuckBoostBuck-Boost； 基于电容器储能的Charge Pumps (Switched Capacitor Regulators); ； 电池充电管理 Battery Chargers; 锂电池保护 Lithium Battery Protection;电源管理芯片选用思考 选用生产工艺成熟、品质优秀的生产厂家产品； 选用工作频率高的芯片，以降低成本周边电路的应用成本； 选用封装小的芯片，以满足便携产品对体积的要求； 选用技术支持好的生产厂家，方便解决应用设计中的问题； 选用产品资料齐全、样品和DEMO申请用易、能大量供货的芯片； 选用产品性能/价格比好的芯片；LDO线性低压差稳压器LDO线性低压差稳压器是最简单的线性稳压器，由于其本身存在DC无开关电压转换，所以它只能把输入电压降为更低的电压。它最大的缺点是在热量管理方面，因为其转换效率近似等于输出电压除以输入电压的值。例如，如果一个驱动图像处理器的LDO输入电源是从单节锂电池标称的3.6V，在电流为200mA时输出1.8V电压，那么转换效率仅为50%，因此在手机中产生了一些发热点，并缩短了电池工作时间。虽然就较大的输入与输出电压差而言，确实存在这些缺点，但是当电压差较小时，情况就不同了。例如，如果电压从1.5V降至1.2V，效率就变成了80%。当采用1.5V主电源并需要降压至1.2V为DSP内核供电时，开关稳压器就没有明显的优势了。实际上，开关稳压器不能用来将1.5V电压降至1.2V，因为无法完全提升MOSFET(无论是在片内还是在片外)。标准低压差(LDO)稳压器也无法完成这个任务，因为其压差通常高于300mV。理想的解决方案是采用一个非常低压差(VLDO)稳压器，输入电压范围接近1V，其压差低于300mV，内部基准接近0.5V。这样的VLDO稳压器可以很容易地将电压从1.5V降至1.2V，转换效率为80%。因为在这一电压上的功率级通常为100mA左右，那么30mW的功率损耗是可以接受的。VLDO的输出纹波可低于1mVP-P。将VLDO作为一个降压型开关稳压器的后稳压器就可容易地确保低纹波。开关式DC/DC升降压稳压器 当输入与输出的电压差较高时，开关稳压器避开了所有线性稳压器的效率问题。它通过使用低电阻开关和磁存储单元实现了高达96%的效率，因此极大地降低了转换过程中的功率损失。 选用开关频率高的DC/DC可以极大地缩小外部电感器和电容器的尺寸和容量，如超过2MHz的高开关频率。 开关稳压器的缺点较小，通常可以用好的设计技术来克服。但是电感器的频率外泄干扰较难避免，设计应用时对其EMI辐射需要考虑。 开关式DC/DC升降压稳压器按其功能分成Buck开关式DC/DC降压稳压器、Boost开关式DC/DC升压稳压器和根据锂电池的电压从4.2V降低到2.5V能自动切换降升压功能的Buck-Boost开关式DC/DC升降压稳压器。电荷泵（Charge Pump）电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升，采用电容器来贮存能量。电荷泵是无须电感的，但需要外部电容器。工作于较高的频率，因此可使用小型陶瓷电容(1F)，使空间占用最小，使用成本低。电荷泵仅用外部电容即可提供2倍的输出电压。其损耗主要来自电容器的ESR(等效串联电阻)和内部开关晶体管的RDS（ON）。电荷泵转换器不使用电感，因此其辐射EMI可以忽略。输入端噪声可用一只小型电容滤除。它输出电压是工厂生产时精密予置的,调整能力是通过后端片上线性调整器实现的，因此电荷泵在设计时可按需要增加电荷泵的开关级数，以便为后端调整器提供足够的活动空间。电荷泵十分适用于便携式应用产品的设计。从电容式电荷泵内部结构来看,它实际上是一个片上系统。 线性稳压器与开关稳压器的比较线性稳压器与开关稳压器的比较可从下表清楚看到。LDO的内部结构从图1中可以看到，LDO电流主通道在其内部是有一个MOSFET加一个过流检测电阻组成，肖特基二极管作反相保护，输出端的分压电阻取出返馈电去控制MOSFET的流通电流大小，EN使能端可从外部去控制它的工作状态，内部还设置过流保护、过温保护、信号放大、POWER-OK、基准源等电路，实际上LDO已是一多电路集成的SOC。LDO的ESD4KV，HBM ESD8KV。图2可见它的应用实例。图1LDO的内部结构低压差稳压器 (LDOs)的应用低压差稳压器的应用象三端稳压一样简单方便，一般在输入、输出端各加一个滤波电容器即可。电容器的材质对滤波效果有明显影响，一定要选用低 ESR的X7R X5R 陶瓷电容器。关于低压差稳压器 (LDOs) 制造工艺 LDO低压差稳压器串联使用，它不是