降压型转换器在手持产品中的应用

新一代便携式消费类产品中集成了越来越多的功能，功能的增多有利于吸引用户、提高销售量。但是，随着用户对更小尺寸、更长电池寿命的期盼，系统设计人员也将面临更大的挑战。每种新增功能都需要额外的空间、消耗额外的功率，留给电池的空间将会更小，对电源的要求更高，也就是说，需要电源在更小的空间内以更高的效率提供更大的电流。 近两年，大多数手持产品采用一路降压转换器（ｂｕｃｋ）和多路低压差线性稳压器（ＬＤＯ）方案，有些设计则只采用线性稳压器结构。这种方案能够提供良好的工作性能，由于大多数处理器采用３．０Ｖ或３．３Ｖ供电，在单节Ｌｉ＋电池供电的情况下，ＬＤＯ可以提供适当的转换效率。但是，随着对处理器功耗的更高要求和ＩＣ生产工艺向更小的亚微米技术的发展，微处理器的核电压已降低到１．８Ｖ、１．５Ｖ、１．３Ｖ甚至０．９Ｖ。另外，典型的Ｉ／Ｏ电压也从３．３Ｖ降至２．５Ｖ或１．８Ｖ。电压的降低大大降低了ＬＤＯ的效率，其产生的热量抵消了低电压核和Ｉ／Ｏ口带来的好处。为了保持较高的效率，设计人员不得不考虑选用ｂｕｃｋ转换器。另外，许多系统内部采用了多个处理器（例如蜂窝电话与ＰＤＡ的组合），其中包含一个基带处理器和一个应用处理器，这些处理器需要单独的供电电源。手机和ＰＤＡ上使用的相机模块倾向于采用ＬＤＯ供电，但相关的图形处理器常常要求更低的电源电压。这样一来，在多功能设计中，常常要用到多路ｂｕｃｋ电源。现在在一个ＰＣＢ板上安装三路ｂｕｃｋ电源已经不是一件罕见的事情。 图1 最新推出的定制电源管理芯片（ＰＭＩＣ）已经集成了一路或多路ｂｕｃｋ转换器，但这些产品还常常不足以满足用户的要求。每增加一项新的功能，就有可能需要另外一路ｂｕｃｋ电源或需要提高ｂｕｃｋ电源的驱动能力，只有那些能够迅速采用分立电源ＩＣ来满足新设计需求的制造商才能保持其产品性能与市场需求同步增长。就目前的设计水平而言，要想在系统中增添一个ｂｕｃｋ转换器不仅需要增加成本，而且要占用一定的线路板面积。三年前的ｂｕｃｋ转换器封装尺寸为１５ｍｍ２，可工作在１ＭＨｚ或更低的开关频率，需要较大尺寸的外部电感和钽电容。而近期推出的ＴＤＦＮ封装１ＭＨｚ ｂｕｃｋ转换器的尺寸已降至９ｍｍ２，且外部可以使用陶瓷电容和小尺寸电感，但它的尺寸还是远远大于ＬＤＯ。先进的亚微米ＢｉＣＭＯＳ混合信号处理工艺是解决尺寸问题的关键技术，它能够进一步缩小电源ＩＣ的尺寸，提高其工作频率，从而使其能够选用更小尺寸的外部元件。许多ＩＣ制造商已经能够提供２ＭＨｚ甚至更高频率的电源ＩＣ，同时也采用了更小的封装。图１所示是ＬＤＯ、１ＭＨｚ Ｂｕｃｋ转换器和ＭＡＸＩＭ公司４ＭＨｚ Ｂｕｃｋ转换器的比较示意图。可以看出：Ｍａｘｉｍ所提供的４ＭＨｚ ｂｕｃｋ转换器（ＭＡＸ８５６０）的尺寸几乎与ＬＤＯ一样小！但可采用更高的工作频率，同时允许使用微型电感（如：Ｔａｉｙｏ Ｙｕｄｅｎ的ＣＢ２０１２系列，０８０５封装）。从目前１ＭＨｚ 和４ＭＨｚ ｂｕｃｋ转换器的制造工艺进展情况看，４ＭＨｚ ｂｕｃｋ转换器的效率要比１ＭＨｚ ｂｕｃｋ转换器的效率低，因为较高的开关频率将产生较大的开关损耗，而微型电感也存在较大的磁芯损耗。图２所示是Ｂｕｃｋ转换器效率与负载电流的关系曲线。值得庆幸的是，１ＭＨｚ和４ＭＨｚ的Ｂｕｃｋ转换器效率差别并不大，而且，它们的效率远远高于ＬＤＯ（４１％）。 从上述分析可以看出，系统电源设计有三种选择方案：一是小尺寸，二是高效率，三是小尺寸加高效率。设计时可以在电池寿命和系统物理尺寸之间进行权衡。由于第三种方案能够在不明显增大线路板尺寸的前提下大大提高电源的转换效率，因而理所当然地成为多功能便携式消费类产品的优选方案。此外，考虑到ｂｕｃｋ转换器产生的热量极低，它不需要考虑散热问题，因此，有可能以更小的尺寸取代ＬＤＯ。