電源效率常常是決定當(dāng)今消費電子產(chǎn)品成敗的驅(qū)動因素。由于功效決定了設(shè)備在兩次充電之間的工作時間長度,因此在用戶對產(chǎn)品質(zhì)量的感知中起著非常重要的作用。
在便攜式消費電子產(chǎn)品的功率預(yù)算中,高效率降壓轉(zhuǎn)換器起著其他IC不可比擬的作用。一般用來向內(nèi)核微控制器、I/O和其他子系統(tǒng)供電的降壓(或稱Buck)轉(zhuǎn)換器,可將平均的鋰離子電源降低至大多數(shù)控制器和外圍器件所要求的或。
由于電池的使用壽命對終端產(chǎn)品的市場成功起著重要作用,整個負載范圍內(nèi)的高效率已經(jīng)成為當(dāng)今降壓轉(zhuǎn)換器的一個日益重要的特征。在大多數(shù)MP3播放器、數(shù)碼相機、GPS系統(tǒng)及其他便攜式設(shè)備中,處理器為系統(tǒng)任務(wù)分配優(yōu)先級、并優(yōu)化功率資源的管理。內(nèi)核處理器一般需要在完全運行、待機和睡眠模式下工作。
雖然運行流式視頻的系統(tǒng)微控制器可能需要滿負載,但是在睡眠模式下它可能只需要足夠刷新內(nèi)存的電壓。由于一般的手持設(shè)備中的處理器通常在相當(dāng)長的時間內(nèi)都處于睡眠或者待機模式,因此整個負載范圍內(nèi)的高效率對于最大限度地延長電池使用壽命起著重要作用。
多個考慮因素
為了幫助實現(xiàn)這一目標(biāo),降壓轉(zhuǎn)換器制造商正在采用一系列方案,來最大限度地提高輕負載下設(shè)備的效率。例如,Micrel公司于8月份推出的雙800mA同步降壓型穩(wěn)壓器MIC2238,該器件采用專有的Trickle Mode開關(guān)架構(gòu),從而最大限度地提高了輕負載效率。該器件采用3×3mm微引線框架(MLF)封裝,可在5mA下提供94%的效率,峰值效率高達96%。
設(shè)計工程師既可以在變頻Trickle Mode下運行設(shè)備、從而獲得最高輕負載效率并能自動轉(zhuǎn)換至滿負載,也可以采用恒頻選項。
由于在很多應(yīng)用中,內(nèi)核系統(tǒng)處理器需要頻繁地在各種工作模式間轉(zhuǎn)換,所以設(shè)計師還必須仔細研究降壓轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應(yīng)。了解如何使用轉(zhuǎn)換器、以及設(shè)備在從一種負載狀況轉(zhuǎn)向另一種負載狀況時的調(diào)制狀態(tài)都至關(guān)重要。
例如,飛兆半導(dǎo)體公司最近推出了具有20mV快速瞬態(tài)響應(yīng)的600mA DC/DC同步降壓轉(zhuǎn)換器FAN5350。該器件將這種性能與16mA的極低靜態(tài)電流和低壓紋波結(jié)合在一起,以便為各種應(yīng)用中的DSP處理器、應(yīng)用處理器和I/O處理器供電。該轉(zhuǎn)換器采用1×晶圓級芯片封裝或者3×3mm的MLF封裝。
此外,電源半導(dǎo)體制造商還競相推出占位面積最小的最高性能轉(zhuǎn)換器。
圖1:飛兆半導(dǎo)體公司采用晶圓級芯片封裝的FAN5350降壓轉(zhuǎn)換器在最大限度地縮小系統(tǒng)占位面積的同時還能提供高達94%的效率。
美信公司最近推出了采用SC70封裝的500mA降壓轉(zhuǎn)換器MAX8640Y和MAX8640Z。這兩個器件采用專有開關(guān)方案,從而最大限度地縮小了外部元器件的尺寸。此外,它們僅汲取24mA的靜態(tài)電流。
TI公司在7月份推出了采用微型6引腳、2×2×小外形無鉛封裝的降壓轉(zhuǎn)換器系列。系列中的TSP62240、TSP62260和TSP62290可分別提供300mA、600mA和1A的輸出電流,同時保持高達95%的效率水平。TI的這些器件工作時的靜態(tài)電流為15mA。
開關(guān)頻率與占位面積的大小同等重要。一般情況下,降壓轉(zhuǎn)換器采用開關(guān)頻率的脈寬調(diào)制(PWM)來控制內(nèi)部功率MOSFET的輸出。此時器件需要一個外部肖特基整流二極管以及一個外部電感和輸出電容,以便產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)制的DC輸出。轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率決定外部電感和電容的物理尺寸。采用較高頻率的轉(zhuǎn)換器可以采用尺寸和參數(shù)值都較小的外部元器件。
例如,凌力爾特公司的LTC3560通過工作在相對較高的下可與陶瓷電容和電感器搭配使用,并且高度不到1mm。這個降壓轉(zhuǎn)換器采用6引腳ThinSOT封裝,可提供800mA的電流。
同樣,Advanced Analogic Technologies公司去年也推出了一系列降壓轉(zhuǎn)換器,最初推出的是采用緊湊型SC70JW封裝、與小外形0603電感器搭配工作的AAT1149。這些轉(zhuǎn)換器在高達3MHz的開關(guān)頻率下工作。
Enpirion公司采用了一種完全不同的集成技術(shù)。該公司將降壓轉(zhuǎn)換器與電感器整合在一起,以減少元器件數(shù)和系統(tǒng)占位面積。EP53x2Q在單個5×4× QFN封裝中整合了一個PWM控制器、MOSFET開關(guān)、補償網(wǎng)絡(luò)和一個功率電感器。這個新的器件系列支持500mA、600mA和800mA的負載。據(jù)該制造商稱,5MHz的開關(guān)頻率最大限度地縮小了濾波器元件的尺寸,并且極大地改善了瞬態(tài)性能。
圖2:Micrel公司的MIC2238降壓轉(zhuǎn)換器采用獨特的Trickle Mode開關(guān)架構(gòu),最大限度地提高了輕負載效率。
微硬盤支持
在當(dāng)今的便攜式系統(tǒng)設(shè)計中,工程師越來越多地采用微硬盤。雖然硬盤制造商已經(jīng)在功耗方面取得了巨大成就,但是微硬盤的功耗通常占便攜式系統(tǒng)的功率預(yù)算的相當(dāng)大部分。
但是,與內(nèi)核處理器不同的是,硬盤通常只在兩種工作狀態(tài)下工作:開和關(guān)。這種工作模式通常要求電源能夠盡可能高效率地滿足硬盤的特定電壓和電流要求。快速的瞬態(tài)響應(yīng)也至關(guān)重要。由于啟動硬盤需要負載在發(fā)動機開始轉(zhuǎn)動時出現(xiàn)瞬間浪涌,因此設(shè)計工程師需要能夠迅速反應(yīng)以滿足這種要求、且同時不會影響系統(tǒng)其余部分的轉(zhuǎn)換器。
為了滿足這些要求,設(shè)計工程師可以選擇采用一個低壓降的標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器、或者一個降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器。這兩種方法都可以提供獨特的優(yōu)勢。
標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器可以通過跟蹤電池電壓,來進入降壓或100%工作周期狀態(tài),并提供極高的效率。它還可以與較小尺寸的外部元器件協(xié)同工作。降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器可以提供大于或小于輸入電壓的輸出電壓,且具體輸出電壓可以根據(jù)開關(guān)晶體管的工作周期進行調(diào)整。
雖然與傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器相比,降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器一般需要的外部元器件的尺寸稍大,所提供的效率也略低,但是通過升高電源電壓,它可使系統(tǒng)電池在較低的工作電壓下工作,從而延長了系統(tǒng)的運行時間。
美國國家半導(dǎo)體公司(NSC)的LM3668就是一個極好的例子。該器件針對在2.5～的鋰離子電源下的運行進行了優(yōu)化,可以提供降壓和升壓模式之間的無縫轉(zhuǎn)換,在1A時支持2.8～的輸出電壓,并且效率高于90%。
由于當(dāng)今的便攜式系統(tǒng)往往會提供無線連接,電源半導(dǎo)體制造商正在越來越多地將用于內(nèi)核處理器的高效率降壓轉(zhuǎn)換器與一個或更多個低壓降穩(wěn)壓器整合在一起,從而為噪聲敏感的RF功能供電。
針對UMTS、Edge、CMA200和寬帶CDMA手機應(yīng)用,Micrel公司的MIC2807將一個2MHz降壓轉(zhuǎn)換器與兩個采用2.5×2.8 mm的MLF封裝的LDO整合在一起。該降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓可以通過一個外部D/A轉(zhuǎn)換器進行調(diào)整,從而最大限度地延長蜂窩手機的通話時間。該轉(zhuǎn)換器在PWM模式下可提供600mA的輸出,在旁路模式則可提供高達1A的輸出。兩個LDO分別提供200mA和30mA的輸出。
為了給便攜式媒體播放器、MP3播放器和支持DMB或DVB-H移動電視的蜂窩手機中的應(yīng)用處理器和相關(guān)的RF電路供電,安森美公司的NCP1526將一個可在下提供400mA的同步降壓轉(zhuǎn)換器與一個在下提供150mA電流的LDO集成在一起。該器件采用超薄microDFN封裝,最大限度地縮小了其占位面積和外形。
John H. Mayer是駐馬薩諸塞州貝爾蒙特的自由撰稿人,他的聯(lián)系郵箱是jhmayer@。
作者:John H. Mayer
