實(shí)現更精巧的電源解決方案

本文詳述電源電路的最新發(fā)展狀況。文中還將介紹數款器件，說(shuō)明電路架構與封裝技術(shù)的進(jìn)步如何促成體積更小的電源解決方案。

把不同功能集成到同一芯片是PDA、便攜式導航系統 (GPS) 和智能型手機等便攜式產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。就在幾年前，應用產(chǎn)品的每一組電源都需要單獨的電源轉換器，但隨著(zhù)電池供電型產(chǎn)品的功能日益復雜，電源設計也開(kāi)始改變，把產(chǎn)品所需的各種電源整合在一起已成為潮流，除了處理器所需的電源外，還有藍牙模塊、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )模塊和屏幕等其它功能也需要獨立的電源。在這類(lèi)應用中，電源供應方式可分為幾種：
采用內含其它功能的電源供應芯片，例如CODEC、ADC、音頻放大器和充電器等
單個(gè)芯片提供全部所需電源
功能模塊專(zhuān)用的電源轉換器

本文將介紹后面兩種解決方案。在設計中采用功能模塊專(zhuān)用的電源轉換器有幾項優(yōu)點(diǎn)：首先是電路板的零件位置更容易安排，因為它們可直接放在處理器或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )模塊等供電目標的旁邊。其次，電路板布局更簡(jiǎn)單，因為信號不必穿越整張電路板。另外，這些電源與其它電路之間的耦合也會(huì )降至最低，這對GPS模塊或鎖相回路 (PLL) 等敏感性電源特別重要。

這種做法對于以現有解決方案為基礎的后續產(chǎn)品開(kāi)發(fā)計劃也有好處，因為當工程師要改變產(chǎn)品設計時(shí)，他們可將變動(dòng)范圍局限在功能模塊層級 C 設計人員只需修改功能升級的部份，其它電路則保持不變；相較之下，若應用只有一個(gè)電源芯片，工程師就要花更多精神讓設計符合新要求。由于縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間已成為產(chǎn)品成功的關(guān)鍵，這類(lèi)電源供應方式顯然具有相當優(yōu)勢。

要提供這種解決方案，電源芯片必須達到幾項要求。首先必須有一系列器件提供所需的各種電源，且其體積必須盡量縮小，以免占用太多電路板空間。其次，這些芯片應很容易針對不同的需求搭配不同的解決方案。德州儀器 (TI) 的TPS6502x和TPS6505x系列就是例子，這些器件專(zhuān)門(mén)為手持裝置的應用處理器提供電源。由于不同系列的處理器會(huì )有不同的需要，它們也有專(zhuān)屬芯片來(lái)支持個(gè)別型號或個(gè)別系列的處理器及應用。

一般而言，使用電池的應用都會(huì )要求電源在很大的輸出電流范圍內維持高效率，因此所有器件的操作都必須針對靜態(tài)電流最佳化。所謂靜態(tài)電流是芯片在不提供任何輸出電流的情形下，繼續維持輸出電壓所需的電流，這項參數對必須長(cháng)時(shí)間處在待機模式的應用很重要。低靜態(tài)電流不但延長(cháng)應用的待機時(shí)間，對直流電源轉換器在超低輸出電流下的工作效率也有很大影響。

降壓轉換器等直流電源轉換器的效率會(huì )受到三項因素影響：輸出電流很大時(shí)，效率主要由內部電源開(kāi)關(guān)的阻抗決定，因此低阻抗對這個(gè)操作范圍很重要。對于采用固定頻率脈寬調制 (PWM) 的降壓轉換器來(lái)說(shuō)，負載周期是由輸入對輸出電壓的比值決定。輸出電壓很小時(shí)，內部下端開(kāi)關(guān) (NMOS) 的導通時(shí)間會(huì )遠超過(guò)上端開(kāi)關(guān) (PMOS)；如果輸出電壓很高，就變成上端開(kāi)關(guān)的導通時(shí)間比較長(cháng)。因此若假設所有轉換器的輸入電壓都相同，設計人員就應針對轉換器的目標輸出電壓來(lái)選擇開(kāi)關(guān)的大小和阻抗；一般來(lái)說(shuō)，便攜式應用的鋰離子電池的電壓范圍大約從4.2V到3.0V，未來(lái)還可能進(jìn)一步降低到2.5V。

當輸出電流在10-200mA范圍時(shí)，主要耗電來(lái)源就不再是開(kāi)關(guān)阻抗，而是由電源開(kāi)關(guān)的閘極電荷和電感功耗決定其效率。利用開(kāi)關(guān)頻率控制輸出電流是在此操作范圍保持高效率的重要技巧，這種做法稱(chēng)為脈沖頻率調制 (PFM)。PFM基本上會(huì )提供固定的電能到輸出端：輸出電流很大時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率就比較高，輸出電流低時(shí)則降低開(kāi)關(guān)頻率，進(jìn)而減少開(kāi)關(guān)功耗。轉換器的輸出電流很低時(shí)，靜態(tài)電流造成的固定功耗就如前所述決定整體的效率。

TPS6502x和TPS6505x系列的所有器件都采用低耗電最佳設計，故能在很大的電壓和電流范圍內提供最高轉換效率。表1是TPS502x系列概況，這些器件包含3組降壓轉換器，分別提供系統電壓、內存電壓和處理器核心電壓；它們還包含兩組低壓差線(xiàn)性穩壓器(LDO)，負責提供電源給鎖相回路 (PLL) 和SRAM或處理器的其它功能模塊。這些器件還有許多功能未列在表中，例如后備電池支持、I2C界面和重置功能。