便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品正在集成許多新功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是滿足消費(fèi)者對(duì)小物理尺寸和長(zhǎng)電池壽命的期望。每個(gè)新產(chǎn)品功能都需要額外的空間和額外的處理能力。同時(shí)，留給電池的空間越來(lái)越小，對(duì)更高電源輸出電流和更小空間內(nèi)效率更高的需求也在增加。本文認(rèn)識(shí)到這些電流對(duì)電源設(shè)計(jì)的要求，并比較了小型便攜式設(shè)備中使用的不同穩(wěn)壓器類型。

介紹

現(xiàn)代便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品集成了許多新功能，以至于最新的化身往往很難分類。雖然更多的功能可以增加銷售額，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是滿足消費(fèi)者對(duì)小物理尺寸和長(zhǎng)電池壽命的期望。每個(gè)新功能都需要額外的空間和額外的處理能力。這為電池留下了更少的空間，并增加了電源需求，以在更小的空間內(nèi)以更高的效率獲得更高的輸出電流。

對(duì)更高功率的需求改變了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

就在一兩年前，大多數(shù)手持電子設(shè)備通常不使用或一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器和許多低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器來(lái)為各種功能塊供電。這很有效，因?yàn)榱餍械?a target="_blank">處理器通常以3.0V至3.3V供電，在該電壓范圍內(nèi)，LDO在單節(jié)Li+電池輸入下具有適當(dāng)?shù)男省Ｈ欢?，隨著加工需求的增加和IC工藝技術(shù)向更小的亞微米幾何形狀遷移，流行的內(nèi)核電壓降至1.8V、1.5V、1.3V甚至0.9V。此外，典型的I/O電壓已從3.3V降至2.5V或1.8V。在如此低的輸出電壓下，LDO變得非常低效并產(chǎn)生大量熱量，從而抵消了低壓內(nèi)核和I/O的一些優(yōu)勢(shì)。因此，為了在低輸出電壓下保持高效率，設(shè)計(jì)人員必須改用降壓轉(zhuǎn)換器。

為了滿足對(duì)低電源電壓的需求，許多系統(tǒng)現(xiàn)在依賴于多個(gè)處理器。手機(jī)+PDA組合就是一個(gè)很好的例子，因?yàn)樗ǔＳ幸粋€(gè)基帶處理器和一個(gè)應(yīng)用處理器，每個(gè)處理器都需要單獨(dú)的電源。當(dāng)今流行的蜂窩手機(jī)和PDA相機(jī)模塊仍然傾向于在LDO上運(yùn)行，但相關(guān)的圖形處理器通常需要低電壓。因此，現(xiàn)代多功能設(shè)計(jì)通常采用多個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器。在PCB上找到三個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器的情況并不少見(jiàn)。

雖然最新的定制電源管理IC（PMIC）已經(jīng)集成了一個(gè)或多個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，但對(duì)于這些手持應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這通常是不夠的。對(duì)于每個(gè)新功能，都有可能出現(xiàn)另一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，或者需要具有更高輸出電流能力的降壓轉(zhuǎn)換器。越來(lái)越明顯的是，那些使用分立電源IC在各種產(chǎn)品組合中快速提供新功能的制造商正是市場(chǎng)份額增長(zhǎng)最快的制造商。

尺寸的挑戰(zhàn)

直到最近，增加降壓轉(zhuǎn)換器的成本不僅可以用真錢來(lái)計(jì)算，還可以用大量的印刷電路板空間來(lái)計(jì)算。三年前，典型的小型降壓轉(zhuǎn)換器采用15mm2MSOP封裝，開關(guān)頻率為1MHz或更低，需要一個(gè)大的外部電感器和通常的大鉭電容。如圖1b所示，如今的1MHz降壓轉(zhuǎn)換器采用9mm2TDFN封裝、陶瓷電容和更新、更小的電感器，得到了極大的改進(jìn)。然而，1MHz降壓轉(zhuǎn)換器仍然比典型的LDO大得多，如圖1a所示。

解決尺寸問(wèn)題的關(guān)鍵在于，現(xiàn)代亞微米BiCMOS混合信號(hào)工藝可實(shí)現(xiàn)更小的電源IC和更快的開關(guān)頻率，用于更小的外部元件。如今，許多制造商在小型封裝中提供2MHz或更高的頻率。如圖1c所示，4MHz降壓轉(zhuǎn)換器方案，如Maxim的MAX8560，可能幾乎與LDO一樣小！在高開關(guān)頻率下，可以使用非常小的現(xiàn)代片式電感器，例如 Taiyo Yuden 的 2012 外殼尺寸的 CB0805 系列。

盡管工藝進(jìn)步使1MHz和4MHz降壓轉(zhuǎn)換器都受益，但4MHz降壓轉(zhuǎn)換器仍低于1MHz降壓效率，如圖2所示。高速開關(guān)會(huì)在轉(zhuǎn)換器中產(chǎn)生更多的開關(guān)損耗和容性損耗，而微小電感往往具有更多的磁場(chǎng)磁芯損耗。然而，效率差異并不大，特別是與LDO的低41%效率相比。

總結(jié)

這給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員留下了電源管理選擇：a）最小尺寸，b）最高效率，或c）小尺寸和高效率，后者允許在電池壽命和物理尺寸之間平穩(wěn)權(quán)衡。由于高頻降壓轉(zhuǎn)換器（選擇c）在尺寸幾乎沒(méi)有增加的情況下提供了如此顯著的效率改進(jìn)，因此它正在成為多功能便攜式消費(fèi)類手持設(shè)備中最受歡迎的解決方案。展望不久的將來(lái)，由于降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的熱量比LDO少，因此有可能取代LDO成為最小的解決方案。

圖1.LDO線性穩(wěn)壓器（a）雖然效率不高，但物理尺寸很小。傳統(tǒng)的1MHz降壓轉(zhuǎn)換器（b）提供非常高的效率，但尺寸損失很大。最新的高速4MHz降壓轉(zhuǎn)換器（c）的尺寸接近LDO，效率接近1MHz降壓轉(zhuǎn)換器。

圖2.兩款降壓轉(zhuǎn)換器的效率都遠(yuǎn)高于LDO線性穩(wěn)壓器。然而，4MHz降壓轉(zhuǎn)換器犧牲了幾個(gè)效率點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)更小的解決方案。

審核編輯：郭婷