電池驅動(dòng)設計中的新型穩壓器

電源電路通常在臨近研發(fā)階段結束時(shí)才進(jìn)行贓，然而對便攜式產(chǎn)品，電池卻是頭等重要的大事。要想穩定電池供電電源的電壓，實(shí)踐要比說(shuō)說(shuō)復雜得多，特別是在單系統設計中電壓的類(lèi)型和數量增加時(shí)。穩壓IC技術(shù)的最新進(jìn)展為設計者提供控制輸出電壓更有效的途徑，并為多電壓系統提供更充足的功率。

1999年，全球穩壓器與電壓基準業(yè)務(wù)達到23億美元的規模，占模擬產(chǎn)品總銷(xiāo)售額的11%，器件總數據的22%。據半導體行業(yè)分析公司Mclean Report預測，2001年的總銷(xiāo)售額將激增至35億美元。

穩壓器是電源設計中的基本組件。線(xiàn)性穩壓器簡(jiǎn)單易用，電磁干擾（EMI）低，輸出紋流低、負載與線(xiàn)路穩定性好，對負載與線(xiàn)路的變化響應也快；然而與開(kāi)關(guān)穩壓器相比，效率較低，若使用散熱器，占用的空間較大。開(kāi)關(guān)穩壓器降低了對源功率的要求，無(wú)需散熱器。這種器件功率密度高，能產(chǎn)生各種小于，甚至大于輸入的單路或多路輸出電壓，當然與線(xiàn)性穩壓器相比，易產(chǎn)生EMI，具有較高的輸出紋波，對負載或線(xiàn)路變化響應慢。

無(wú)論是線(xiàn)性穩壓器還是開(kāi)穩壓器，本質(zhì)上都是模擬的。盡管開(kāi)關(guān)穩壓器有一些數字電路，實(shí)際上只不過(guò)是脈寬調制的模擬電路。在多數場(chǎng)合，兩者都以單芯片形式提供。在內置微處理器、DSP或FPGA的便攜式設計中，芯核電壓不斷地在降低，且一般與I/O供電是分離的。因此，設計者開(kāi)始寄厚望于備有雙輸出電壓的電源管理器件。Texas Instruments的雙電壓穩壓器TPS56300就是一個(gè)很好的例證。它在單芯片上設置了供芯核使用的開(kāi)關(guān)穩壓器，供I/O使用的低壓降（LDO）線(xiàn)性穩壓器。這似乎反映了器件發(fā)展的未來(lái)趨勢。

線(xiàn)性穩壓電源

線(xiàn)性穩壓器采用FET去除外加輸入電壓的多余部分來(lái)提供精確的輸出電壓。FET可視為輸入電壓與輸出電壓之間的一個(gè)可變電阻。這類(lèi)電路的一個(gè)固有缺陷就是輸入與輸出間存在一定的電壓降。為了使穩壓器的輸出電壓保持在正常值的范圍內（低于100mv），應盡量降低這個(gè)壓差。正輸出LDO穩壓器通常用PNP型晶體管作調整管，使穩壓器具有極低的壓降，一般為200mv；相反，負輸出LDO的調整管則采用NPN型晶體管。

National Semiconductor正在開(kāi)發(fā)新型模擬產(chǎn)品來(lái)滿(mǎn)足移動(dòng)電話(huà)類(lèi)便攜式產(chǎn)品不斷提出的多電壓，小占用面積的要求。對此，公司相關(guān)人員解釋道：“移動(dòng)電話(huà)正日益‘消費品化’。MP3播放機、FM收音機、免提功能，幾乎能想象到的功能都增添到它的內部了。其結果必須是在小型封裝擠入更多的器件?！惫窘鉀Q小占用面積的途徑是采用微型SMD封裝，即裸裝型封裝。這類(lèi)器件不是將芯片放置在常規的SOT-23-5L一類(lèi)塑料封裝內，而是將焊球直接安置在芯片上。這意味著(zhù)芯片的尺寸就是實(shí)際封裝的尺寸。

NS的LP3985新型CMOS LOD穩壓器是一個(gè)5焊球、1mm2的微SMD封裝器件。由于采用了LDO技術(shù)，穩壓器在低輸出等效串聯(lián)電阻（ESR）條件下保持穩定性是十分重要的?，F在更多地使用陶瓷電容。LP3985使用小型陶瓷片瓷電容。LP3985使用小型陶瓷片隙來(lái)節省印制板空間。NS在為移動(dòng)電話(huà)客戶(hù)制作的ASIC中已采用LP3985，作為ASIC LDO塊之一。ASIC內部一般有5～8個(gè)LDO。LDO向數字電話(huà)內部的信號處理元件提供功率。這類(lèi)產(chǎn)品也發(fā)展為標準產(chǎn)品，也可作為一種集成化ASIC。

在便攜設計中，延長(cháng)電池壽命至關(guān)重要。電源產(chǎn)品內置“休眠”方式來(lái)關(guān)閉部分電路。此外，在RF應用中，穩壓器產(chǎn)生的噪聲也是一個(gè)問(wèn)題。盡管線(xiàn)性穩壓器的噪聲比開(kāi)關(guān)穩壓器低，但是仍產(chǎn)生不希望有的噪聲。

由于LD標準線(xiàn)性穩壓器更能充分利用輸入電壓，在電池放電階段能工作更長(cháng)時(shí)間，因而非常適合電池供電的應用。LDO也減少了提供穩定輸出電壓所需的電池數量?？紤]到電池供電的便攜式產(chǎn)品的增長(cháng)必然導致對LDO需求的增加，Vishay Inter technology、International Rectifier等公司采用收購的策略在生產(chǎn)線(xiàn)上應用LDO技術(shù)。International Rectifier最收購了Omneril；而Siliconix已成為Vishay的一部分。

去年夏天，Siliconix發(fā)布了新型LDO穩壓器，即Vishay Siliconix Si9182DH。對功率變換設計，在輸入端與輸出端可使用2.2μF陶瓷電容或鉭電容。Si9182DH改進(jìn)了公司原先IC的性能。在其最大連續輸出電流250mA下，壓降僅為180mV。低壓降延長(cháng)了電池的壽命。一般的線(xiàn)路與負載瞬態(tài)響應小于2ms，允許它與快速的DSP和微控制器一起使用。在輸入電壓2～6V范圍內，Si9182DH與單個(gè)或多個(gè)電池兼容，用于移動(dòng)電話(huà)、發(fā)信機、網(wǎng)絡(luò )電話(huà)、PDA、筆記本電腦及便攜式儀器中。

同在去年夏天，Semtech在產(chǎn)品系列中增加了幾款電池工作系統的新型LDO。SC1454具有兩上獨立啟用、超低壓降穩壓器（ULDO）。一個(gè)穩壓順的輸出固定；另一個(gè)可以是固定的，也可以用外部電阻來(lái)調整。它的特點(diǎn)鮮明：靜態(tài)電流低、輸出噪聲低、多種輸出電壓、輸入反極性保護。另一款新型器件是SC1456，它將兩個(gè)150mA、低噪聲ULDO集成在一個(gè)芯片內，供關(guān)注點(diǎn)用空間的便攜式設計應用。其它特性包括2.5～6V輸入電壓范圍，輸出噪聲低、陶瓷電容穩定工作?？晒┻x擇的標準電壓為3.3V、3V、2.8V和2.5V。最新產(chǎn)品是SC1563，其特點(diǎn)是靜態(tài)電流低，封裝尺寸小，有斷路引線(xiàn)，使用陶瓷電容或鉭電容?？蛇x電壓為3.3V、3.1V、3V、2.8V、2.5V和1.8V，也可用外部調整輸出。

開(kāi)關(guān)穩壓器

供應商在開(kāi)關(guān)穩壓器中設置了過(guò)流保護與過(guò)壓保護。傳統上，設計人員需另設分立電路來(lái)穩定電壓。另一個(gè)趨勢是加強對開(kāi)關(guān)頻率的控制。由于帶RF接口的便攜式設備對開(kāi)關(guān)穩壓器產(chǎn)生的噪聲十分敏感，因此要對輸出電壓開(kāi)關(guān)頻率和紋波頻率加以控制。

為了產(chǎn)生輸出電壓，開(kāi)關(guān)穩壓器采用開(kāi)關(guān)電路與電容、電感儲能相結合的輸出級。輸出電壓依靠對輸出電壓反饋采樣調整開(kāi)關(guān)定時(shí)來(lái)穩壓。在固定頻率穩壓器中，開(kāi)關(guān)定時(shí)通過(guò)開(kāi)關(guān)電壓的脈寬調制進(jìn)行控制。在脈沖式穩壓器中，開(kāi)關(guān)脈沖的寬度與頻率保持恒定，反饋控制輸出開(kāi)關(guān)導通或截止進(jìn)行調整。

與線(xiàn)性穩壓器不同，開(kāi)關(guān)穩壓器的輸出電壓既能小于輸入電壓，又能大于輸入電壓；此外，一個(gè)穩壓器還能產(chǎn)生多個(gè)輸出電壓。不論是等壓的、降壓的，還是升壓的，開(kāi)關(guān)穩壓器的源功率變換效率都比線(xiàn)性穩壓器高。

目前，一個(gè)明顯趨勢是工作電壓在不斷下降?；仡?或10年前，電子系統都是按5V設計的，與0.5μm、CMOS工藝技術(shù)相適應。隨著(zhù)電壓的降低，新型微處理器過(guò)渡至0.35μm工藝，形成一種3.3V新電壓標準。當DSP、微控制器和ASIC躍上0.25μm的臺階，另一種2.5V標準工作電壓出現了。當前，處理器的幾何特征尺寸進(jìn)一步縮小至0.2～0.18μm，因此才有工作在1.8V，甚至0.9V的系統。除了電壓下降的趨勢，在典型的現除了電壓下降的趨勢，在典型的現代電子系統中，多個(gè)電壓（5、3.3、3、2.5、2、1.8、1.5與0.9V）同時(shí)并存的現象也十分普遍。并非所有OEM制造商以相同速度向前推進(jìn)，故導致電子系統需要多種電壓的局面。例如，用戶(hù)仍在使用5V供電的老式處理器，同時(shí)又使用在1.8V工作的存儲器或在2.5V工作的ASIC。

ON Semiconductor為用戶(hù)推出新款開(kāi)關(guān)穩壓器MC33680（圖1）。這是一種雙通道dc/dc變換器，一路輸出電壓為2.5V，是為微處理器度身定做的；另一路輸出電壓最大可調整至25V，兩路電壓共處在同一功能塊中，當然采取了防串擾設計。

Analog Devices的相關(guān)人員也注意到筆記本電腦市場(chǎng)類(lèi)似的趨勢：“在這個(gè)特殊的領(lǐng)域，用戶(hù)要求電腦完成更多的功能。人們希望一機多用，如手表兼作隨身聽(tīng)，甚至DVD播放機。因此，在這個(gè)市場(chǎng)中，所需的電壓數量激增。在過(guò)去，僅需產(chǎn)生5V或3.3V，或許還有12V供PCMCIA卡使用。由于新的需求，電壓將隨最終產(chǎn)品而增加，或隨功能要求而增加?！鄙a(chǎn)廠(chǎng)將CPU用穩壓器作為主要目標，也更密切關(guān)注Intel新開(kāi)的稱(chēng)為IMVP（Intel移動(dòng)電壓定位）技術(shù)。Intel在其Pentium處理器周?chē)胖昧撕芏嚯娙萜鱽?lái)解決瞬態(tài)問(wèn)題。理論上，IMVP可讓你僅使用半數輸出濾波電容。很多公司的新產(chǎn)品都已考慮了這種電壓定位技術(shù)。

為了對多電壓要求作出反應，AD最近推出雙開(kāi)關(guān)穩壓器ADP3020（圖2）。與德州儀器的TPS 56300類(lèi)似，ADP3020器件內既有LDO，也有開(kāi)關(guān)穩壓器。雙dc/dc變換器是為筆記本電腦除CPU芯核外全部系統電源設計的。雙同步反擊開(kāi)關(guān)控制器ADP3020對電池或電源適配器輸入的變換系統進(jìn)行了優(yōu)化。它不采用電流方式控制器而采用電壓方式控制，從而省掉檢測電阻。它工作于200K，300K或400K頻率，且能和高達600KHz外時(shí)鐘同步。

Anadigics為與Palm VⅡ一起使用而設計出dc/dc變換，Palm VⅡ是一個(gè)配有無(wú)線(xiàn)無(wú)線(xiàn)的電子設備。IC采用GaAs MESFET工藝，高頻工作，具有一個(gè)位于音頻外的振蕩器，以減少器件的總尺寸。器件安裝在SOT-25封裝內，占用面積不到3mm2。主要特性是99%的開(kāi)路效率，在2.5mA負載下效率為88%。

穩壓器供應商總是試圖將盡可能多的常用功能集成在一起。例如在一部移動(dòng)電話(huà)中，穩壓器可多達十余種。DSP一個(gè)、RF部分一個(gè)、微控制一個(gè)、內存一個(gè)，用戶(hù)識別卡一個(gè)、等等。制造廠(chǎng)所能做的就是將所有這些穩壓器制作在一塊大型功率管理控制器內。

更佳的電源選擇方案

設計人員必須仔細地考慮便攜式設計中穩壓器類(lèi)型的折衷方案。在復雜多電壓系統中，新型雙穩壓技術(shù)不失為一個(gè)實(shí)際的選擇。在這兩類(lèi)穩壓器中，半導體供應商正在不斷提供大量的改進(jìn)的積木塊產(chǎn)品、更有效的IC解決方案。對電源設計人員來(lái)說(shuō)，總是希望節省更多的電路板空間，擺在供應商面前的最大挑戰是尋求最終解決全部問(wèn)題的一套完整的工具。