便携式应用中的 DC/DC 转换
发布时间：2010-11-16 14:17
发布者：conniede
在电子领域，DC/DC 开关模式电源转换器的使用正与日俱增。便携式应用中的主要问题是板级空间及热管理，因此高效的低成本电源转换对其而言极为关键。当前，便携式应用的设计人员在决定选择是以线性低压降稳压器 (LDO)、感应开关模式 DC/DC 转换器，还是电容性充电泵 DC/DC 转换器来满足其电源转换需求时，面临着在总体成本、效率、集成度、设计灵活性以及封装等诸多方面进行权衡的问题。 图 1、电源转换拓扑比较。 1 电源转换的需求 当前，许多便携式应用均采用单体锂离子电池，其拥有所有可再充电电池所具备的最高能量密度化学特性，从而可实现最佳的小外型设计。电池电压通常满至空 (full to empty) 介于 4.2V 到 2.7V 之间（从），电池电压在大部分放电周期中约为 3.7V。该技术应用范围相当广泛，在非可再充电的单或双体碱性电池系统中也倍受青睐。独立的单电池电压介于 1.5V 至 0.9V。许多应用均要求多个电压轨支持系统中的各种组件。常见电压轨有：用于处理器内核的 1.1V 电压，存储器的 2.5V 与 3.3V，扩展接口（如 Compact Flash 或 USB 接口）的 5V，以及用于 LCD 偏压或白色 LED 显示背光电路系统的 28V。因各种因素需做出的权衡而异，我们在此可以提供几套电源转换选择方案。图 1 显示了各种 DC/DC 转换架构的概览。 2 现有解决方案 根据输入输出电压比，LDO（低压降）稳压器也适用于降压应用。总之，LDO 可根据出现的任何负载电阻更改而相应调整其内部电阻，使稳压器输出恒定的电压。简言之，转换效率是由输出电压与输入电压之比决定的。LDO 以 3.7V 的电压可以生成 3.3V 的存储器轨，从而实现了高达 89% 的卓越效率。不过同样的电池轨生成 1.1V 的核心电压时，效率便陡然降至 29%。目前，LDO 采用诸如芯片级等的超小型封装，大小仅为几平方毫米，能够实现操作只需陶瓷输入和输出电容器的解决方案。由于 LDO 的线性稳压解决方案，其几乎不存在输出纹波，因此非常适用于"噪音型"开关模式稳压器输出的后过滤，能够支持音频放大器或 RF 电路系统。LDO 随着输入输出电压差动的提高与电流输出的加大，也会产生适度的热量。功率损耗约等于输入输出电压差乘以通过线性调整元件的电流的乘积。 充电泵（也称开关式电容电压转换器）即 DC/DC 转换器，其采用一种所谓"飞 (flying)"或"泵 (pump)"的电容器，而非感应器或变压器来用于能量存储。其不仅可升高或降低输入电压，而且还可用于产生负电压。内部 FET 开关阵列控制着"飞"电容器的充电与放电，根据其控制方式，输入电压乘以或除以 0.5、2 或 3 等因数，即可产生所需的输出电压。特定的调制方案仅要求陶瓷电容器就可实现高达 80% 的效率。由于涉及到开关，因而充电泵会产生某些输出纹波，也会生成 EMI（电磁干扰）。某些充电泵拓扑可部署双充电泵架构，并采用额外的输出电压稳压器，以最大程度地减少 EMI 与纹波。充电泵的最大输出电流限制在约 300mA 左右，基本由集成开关晶体管与外部"飞"电容器的大小所决定。充电泵采用节约空间的 SOT-23 封装或无引线四方扁平封装 (QFN)，能极大节省板级空间，并要求较 LDO 具备更高效率但空间或预算又不足以实施更高效的感应式 DC/DC 转换器的情况下，提供解决方案。图 2 展示了显示背光应用中为白色 LED 提供核心电源的充电泵应用实例。  图 2 在 SOT－23 封装中为白色 LED 提供核心电源的充电泵。 利用电磁技术进行能量存储的感应开关模式 DC/DC 转换器提供了难以企及的电源转换效率，不管是升高电压还是降低电压的情况下均如此。尽管它较线性解决方案或充电泵解决方案相比会要求更大的板级空间，但这种电源转换方案非常适用于较高电流的应用。高效率转换能够实现最低散热，并简化了热管理，特别是与 LDO 解决方案相比时尤为如此，从而通常避免了采用额外的、笨重而价格不菲的散热片的必要。由于能够实现高达 97% 的转换效率，因此这也有利于延长电池寿命。DC/DC 转换器可作为 DC/DC 控制器，当设计人员选择具备特定导通电阻的外部 FET 开关，并根据应用当前需求调节电流限制时，其可为设计人员提供最大的灵活性。同时，在要求数十安培电流的非便携式设备中，它尤为有用。先进封装技术也允许开关晶体管的集成，从而使开关模式 DC/DC 解决方案的输出电流介于 SOT-23 封装或芯片级封装的 100mA 与 TSSOP-28 封装的 9A 之间的任何数值。 考虑到具备集成 FET 的感应开关模式 DC/DC 转换器的输出电流功能与效率，我们常常可以实现显著提高空间利用效率的解决方案，往往只需一个感应器和必需的输入输出电容器即可。 图 3 显示了高效利用 DC/DC 转换与线性调节的示例。升压 DC/DC 转换器可提升碱性电池的输入电压，范围为 1.5V 至 0.9V 之间，从而能支持 3.3V 的系统轨。集成到相同 IC 上的 LDO 可降压，以支持 1.8V 的处理器核心电压。上述两种功能都集成在 4mm x 4mm 的无引线四方扁平封装 (QFN) 中，从而能最大程度地减少板级空间要求。  图 3、升压 DC/DC 转换器与由单体碱性电池供电的 LDO。 图 4 给出了利用高能量效率并节省空间的 DC/DC 降压转换示例。降压 DC/DC 转换器可用于降低单体锂离子电池的输入电压，输入电压范围介于 2.7V 至 4.2V 之间，可支持 1.2V 处理器核心，效率高达 95%。该电路采用具备集成开关 FET 的同步 DC/DC 降压转换器，仅采用三个外部组件，其空间占用仅比同类竞争 LDO 电路大于 30% 左右，但却能提供将近高出三倍的效率，并能显著延长电池寿命。  图 4、单体锂离子应用中的压降 DC/DC 转换器 |
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