降壓型轉換器在手持產(chǎn)品中的應用

新一代便攜式消費類(lèi)產(chǎn)品中集成了越來(lái)越多的功能，功能的增多有利于吸引用戶(hù)、提高銷(xiāo)售量。但是，隨著(zhù)用戶(hù)對更小尺寸、更長(cháng)電池壽命的期盼，系統設計人員也將面臨更大的挑戰。每種新增功能都需要額外的空間、消耗額外的功率，留給電池的空間將會(huì )更小，對電源的要求更高，也就是說(shuō)，需要電源在更小的空間內以更高的效率提供更大的電流。

近兩年，大多數手持產(chǎn)品采用一路降壓轉換器（ｂｕｃｋ）和多路低壓差線(xiàn)性穩壓器（ＬＤＯ）方案，有些設計則只采用線(xiàn)性穩壓器結構。這種方案能夠提供良好的工作性能，由于大多數處理器采用３．０Ｖ或３．３Ｖ供電，在單節Ｌｉ＋電池供電的情況下，ＬＤＯ可以提供適當的轉換效率。但是，隨著(zhù)對處理器功耗的更高要求和ＩＣ生產(chǎn)工藝向更小的亞微米技術(shù)的發(fā)展，微處理器的核電壓已降低到１．８Ｖ、１．５Ｖ、１．３Ｖ甚至０．９Ｖ。另外，典型的Ｉ／Ｏ電壓也從３．３Ｖ降至２．５Ｖ或１．８Ｖ。電壓的降低大大降低了ＬＤＯ的效率，其產(chǎn)生的熱量抵消了低電壓核和Ｉ／Ｏ口帶來(lái)的好處。為了保持較高的效率，設計人員不得不考慮選用ｂｕｃｋ轉換器。另外，許多系統內部采用了多個(gè)處理器（例如蜂窩電話(huà)與ＰＤＡ的組合），其中包含一個(gè)基帶處理器和一個(gè)應用處理器，這些處理器需要單獨的供電電源。手機和ＰＤＡ上使用的相機模塊傾向于采用ＬＤＯ供電，但相關(guān)的圖形處理器常常要求更低的電源電壓。這樣一來(lái)，在多功能設計中，常常要用到多路ｂｕｃｋ電源?，F在在一個(gè)ＰＣＢ板上安裝三路ｂｕｃｋ電源已經(jīng)不是一件罕見(jiàn)的事情。

圖1

最新推出的定制電源管理芯片（ＰＭＩＣ）已經(jīng)集成了一路或多路ｂｕｃｋ轉換器，但這些產(chǎn)品還常常不足以滿(mǎn)足用戶(hù)的要求。每增加一項新的功能，就有可能需要另外一路ｂｕｃｋ電源或需要提高ｂｕｃｋ電源的驅動(dòng)能力，只有那些能夠迅速采用分立電源ＩＣ來(lái)滿(mǎn)足新設計需求的制造商才能保持其產(chǎn)品性能與市場(chǎng)需求同步增長(cháng)。就目前的設計水平而言，要想在系統中增添一個(gè)ｂｕｃｋ轉換器不僅需要增加成本，而且要占用一定的線(xiàn)路板面積。三年前的ｂｕｃｋ轉換器封裝尺寸為１５ｍｍ２，可工作在１ＭＨｚ或更低的開(kāi)關(guān)頻率，需要較大尺寸的外部電感和鉭電容。而近期推出的ＴＤＦＮ封裝１ＭＨｚ ｂｕｃｋ轉換器的尺寸已降至９ｍｍ２，且外部可以使用陶瓷電容和小尺寸電感，但它的尺寸還是遠遠大于ＬＤＯ。先進(jìn)的亞微米ＢｉＣＭＯＳ混合信號處理工藝是解決尺寸問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)，它能夠進(jìn)一步縮小電源ＩＣ的尺寸，提高其工作頻率，從而使其能夠選用更小尺寸的外部元件。許多ＩＣ制造商已經(jīng)能夠提供２ＭＨｚ甚至更高頻率的電源ＩＣ，同時(shí)也采用了更小的封裝。圖１所示是ＬＤＯ、１ＭＨｚ Ｂｕｃｋ轉換器和ＭＡＸＩＭ公司４ＭＨｚ Ｂｕｃｋ轉換器的比較示意圖?？梢钥闯觯海停幔椋硭峁┑模矗停龋?ｂｕｃｋ轉換器（ＭＡＸ８５６０）的尺寸幾乎與ＬＤＯ一樣??！但可采用更高的工作頻率，同時(shí)允許使用微型電感（如：Ｔａｉｙｏ Ｙｕｄｅｎ的ＣＢ２０１２系列，０８０５封裝）。從目前１ＭＨｚ 和４ＭＨｚ ｂｕｃｋ轉換器的制造工藝進(jìn)展情況看，４ＭＨｚ ｂｕｃｋ轉換器的效率要比１ＭＨｚ ｂｕｃｋ轉換器的效率低，因為較高的開(kāi)關(guān)頻率將產(chǎn)生較大的開(kāi)關(guān)損耗，而微型電感也存在較大的磁芯損耗。圖２所示是Ｂｕｃｋ轉換器效率與負載電流的關(guān)系曲線(xiàn)。值得慶幸的是，１ＭＨｚ和４ＭＨｚ的Ｂｕｃｋ轉換器效率差別并不大，而且，它們的效率遠遠高于ＬＤＯ（４１％）。

從上述分析可以看出，系統電源設計有三種選擇方案：一是小尺寸，二是高效率，三是小尺寸加高效率。設計時(shí)可以在電池壽命和系統物理尺寸之間進(jìn)行權衡。由于第三種方案能夠在不明顯增大線(xiàn)路板尺寸的前提下大大提高電源的轉換效率，因而理所當然地成為多功能便攜式消費類(lèi)產(chǎn)品的優(yōu)選方案。此外，考慮到ｂｕｃｋ轉換器產(chǎn)生的熱量極低，它不需要考慮散熱問(wèn)題，因此，有可能以更小的尺寸取代ＬＤＯ。