利用DC-DC開(kāi)關(guān)電容穩壓器提升便攜設備電源效率　

　　手持式裝置核心處理器的供電電壓日益降低，但要兼顧效率與電池壽命，卻是另一項挑戰。在降壓轉換過(guò)程中最常利用的是開(kāi)關(guān)穩壓器和LDO穩壓器，但缺點(diǎn)在于尺寸太大，LDO如電壓偏離值很大時(shí)，轉換效率就驟降，開(kāi)關(guān)電容穩壓器為新興技術(shù)，結合開(kāi)關(guān)電容器和LDO優(yōu)點(diǎn)，可整合至可攜式應用中。

　　設法降低核心處理器的供電電壓是手持式裝置的全新技術(shù)趨勢之一，而在降壓的同時(shí)，也必須兼顧以更高效率延長(cháng)電池壽命的需求。目前這些裝置裡有多種新功能都有降壓轉換需求，如應用處理器、記憶體和射頻（RF）設計等，從負載和空間參數兩項考量來(lái)看，目前在此類(lèi)應用上最流行的解決方案，即採開(kāi)關(guān)穩壓器和低壓降 （LDO）穩壓器。

　　如只從效率考量，開(kāi)關(guān)穩壓器是最佳的選擇，然當電子零件高度和解決方案的尺寸限制超出電感器使用範圍時(shí)，轉換器就可能改採LDO或開(kāi)關(guān)電容（SC）穩壓器形式，電源解決方案通常無(wú)法提供較多電路板空間，但開(kāi)關(guān)穩壓器可提供比LDO和開(kāi)關(guān)電容穩壓器更大的解決方案尺寸。

　　圖1為將典型的開(kāi)關(guān)穩壓器與開(kāi)關(guān)電容穩壓器在解決方案尺寸上進(jìn)行比較，可看出開(kāi)關(guān)穩壓器解決方案尺寸大約為45平方毫米，開(kāi)關(guān)電容器為25平方毫米，開(kāi)關(guān)穩壓器大多需2.2μH電感，當以開(kāi)關(guān)電容穩壓器轉換電力卻不希望使用電感時(shí)，開(kāi)關(guān)穩壓器可能是小而有效率的替代品。

　　電壓偏離導致LDO效率降低

　　LDO在要求的電壓與電池電壓相近時(shí)最有效率，但如電壓偏離值很遠時(shí)，LDO效率就會(huì )降的很低，例如以3.6伏特電壓為一個(gè)僅要求1.5伏特電壓的微處理器鋰離子電池充電時(shí)，把電池電壓與1.5伏特LDO連接起來(lái)，就能為微處理器產(chǎn)生一個(gè)完整、穩定和小量的電源，但耗電量卻非常明顯。

　　LDO消耗功率（PD）等于負載電流（ILOAD）與輸入和輸出電壓的差相乘，即PD=ILOAD×（3.6～1.5）=ILOAD×2.3V。換句話(huà)說(shuō)，此例中，如以L(fǎng)DO做降壓轉換器時(shí)，僅產(chǎn)生42%的效率，表示LDO消耗剩余功率，且大幅增加晶片（Die）溫度，而此種溫度上升將引發(fā)裝置可靠性相關(guān)問(wèn)題。

　　由于具電壓增益能力，開(kāi)關(guān)電容穩壓器成為比線(xiàn)性穩壓器更有效的解決方案，此電壓增益透過(guò)在雙相位，即充電相位和傳輸相位中的堆疊電容器和并行電容器所取得的輸入電壓與輸出電壓比率，如位于增益配置中的一個(gè)開(kāi)關(guān)電容轉換器的1/2將把一個(gè)3.6伏特的輸入電壓（VIN）轉變?yōu)?.8伏特的輸出電壓 （VOUT）；如要求的輸出電壓是1.5伏特，則功率消耗僅為300毫伏特與負載電流的乘積，相當于83%的效率。

　　開(kāi)關(guān)電容器可保持給定負載效率

　　隨著(zhù)VIN的上升，由轉換器產(chǎn)生的VIN和VOUT間的能量增加將引起功率耗損和效率下降。解決此問(wèn)題所採取的模式為轉變一個(gè)更高的效率增益，如同汽車(chē)替換檔位一般。圖2顯示開(kāi)關(guān)電容器降壓穩壓器、LDO及開(kāi)關(guān)電容器的效率曲線(xiàn)。開(kāi)關(guān)電容器類(lèi)比設有一個(gè)類(lèi)比增益控制和變化，以保持給定負載效率持續性，開(kāi)關(guān)電容器具離散增益步驟，由VOUT/（增益×VIN）來(lái)給定效率，且這些效率取決于離散增益，一個(gè)LDO僅擁有一個(gè)增益及3者中最低的效率，開(kāi)關(guān)電容器穩壓器則有3個(gè)不同的電壓增益，即2/3、1/2和1/3。

　　從SC穩壓器隨著(zhù)VIN的增長(cháng)可看出，電壓增益變化從2/3～1/2及1/2～1/3，因此整個(gè)負載範圍的效率達最大化，帶來(lái)鋰離子電池電壓範圍 3.4～3.8伏特上80%的功率，在相同應用中的LDO卻僅達到50%效率，隨電感器種類(lèi)不同，典型的開(kāi)關(guān)穩壓器應具有88～90%效率。

　　傳統上，穩壓器乃依據有效數量進(jìn)行比較，但由于鋰離子電池特性，要根據時(shí)量效率或鋰離子電池充分放電所需時(shí)間來(lái)判定，根據經(jīng)驗，運用200毫安培的負載電流，使用典型開(kāi)關(guān)穩壓器，可比使用開(kāi)關(guān)電容穩壓器持續時(shí)間多出6～8%，假設最大負載與微處理器中的情況一樣，僅表現到時(shí)間的20～30%，則電感開(kāi)關(guān)和開(kāi)關(guān)電容穩壓器間操作時(shí)間的差別可忽略。

　　須在效率與成本之間取捨

　　開(kāi)關(guān)電容穩壓器的更多增益可能會(huì )增加少許效率，但卻須要增加更多外部電容器和內部場(chǎng)效電晶體（FET），促使成本上升，同時(shí)也增加解決方案尺寸。上述增益可透過(guò)兩個(gè)外部電容器