便携产品电源芯片的应用技术

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便携产品电源芯片的应用技术

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

       LDO

       VLDO;

•         基于电感器储能的DC/DC Converters (Inductor Based Switching Regulators)

       Buck

       Boost

       Buck-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(1μF),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。

 

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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ESD>4KV,HBM ESD>8KV。图2可见它的应用实例。

 

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图1  LDO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,它不是一个开关,也不是传递一个比输出电压更高的电压;

一些LDO使用双极晶体管(Bipolar)工艺,从根本上来说,Bipolar和CMOS工艺二者在功能上没有区别,可是有一些内在的性能差别,成本不同;

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LDO布线考虑:降低噪音和纹波

LDO布线设计要点是考虑如何降低PCB板上的噪音和纹波,如何走好线是一个技巧加经验的工艺性细活,也是设计产品成功的关键之一。图3说明了如何设计走线电路图,掌握好电流回流的节点,有效的控制和降低噪音和纹波。优化布线方案是值得参考的。图4说明了PCB板布线(Layout )的设计技巧,被推荐的布线方案解决了电流回流路径不良引出的噪音和纹波。

 

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典型布线方案

 

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优化布线方案

图3  布线电路方案考虑

 

 

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Buck开关式DC/DC降压稳压器内部结构

从图5的Buck开关式DC/DC降压稳压器内部拓扑结构来看,这是一种采用恒定频率、电流模式降压架构,内置主(P沟道MOSFET)和同步(N沟道MOSFET)开关。PWM控制的振荡器频率决定了它的工作效率和使用成本。

 

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DC/DC应用电路设计思考

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图6  Buck开关式DC/DC应用线路设计

 

图6给出了Buck开关式DC/DC应用线路设计,需要注图中粗线的部分:

粗线是大电流的通道;

☺ 选用 MuRata, Tayo-Yuden, TDK & AVX 品质优良、低 ESR的X7R & X5R 陶瓷电容器;

☺ 在应用环境温度高,或低供电电压和高占空比条件下(如降压)工作,要考虑器件的节温和散热。

 

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图7给出了Buck开关式DC/DC应用PCB设计的实例,特别需要注意:

SW vs L1 距离 <4mm

☺ Cout vs L1 距离 <4mm

☺ SW、Vin、Vout、GND 的线必须粗短。

PCB板设计要点

    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板按功能分成几块,如图所示。

1) 保持通路在Vin、Vout之间,Cin、Cout接地很短,以降低噪音和干扰;

2)R1、R2和CF的反馈成份必须保持靠近VFB反馈脚,以防噪音;

3)大面积地直接联接2脚和Cin、Cout的负端。

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