便攜產品的電源設計理念

隨著便攜產品日趨小巧輕薄，對電源管理芯片也提出更高的要求，諸如高集成度、高可靠性、低噪聲、抗干擾、低功耗等。本文探討了在便攜產品電源設計的實際應用中需要注意的各方面問題。

便攜產品的電源設計需要系統級思維，在開發手機、MP3、PDA、PMP、DSC等由電池供電的低功耗產品時，如果電源系統設計不合理，會影響到整個系統的架構、產品的特性組合、元件的選擇、軟件的設計以及功率分配架構等。同樣，在系統設計中，也要從節省電池能量的角度出發多加考慮。例如，現在便攜產品的處理器一般都設有幾種不同的工作狀態，通過一系列不同的節能模式(空閑、睡眠、深度睡眠等)可減少對電池容量的消耗。當用戶的系統不需要最大處理能力時，處理器就會進入電源消耗較少的低功耗模式。

從便攜式產品電源管理的發展趨勢來看，需要考慮以下幾個問題：1.電源設計必須要從成本、性能和產品上市時間等整個系統設計來考慮;2.便攜產品日趨小巧輕薄化，必需考慮電源系統體積小、重量輕的問題;3.選用電源管理芯片力求高集成度、高可靠性、低噪聲、抗干擾、低功耗，突破散熱瓶頸，延長電池壽命;4.選用具有新技術的新型電源芯片進行方案設計，這是保證產品先進性的基本條件，也是便攜產品電源管理的永恒追求。

便攜產品常用電源管理芯片包括：低壓差穩壓器(LDO)、非常低壓差穩壓器(VLDO)、基于電感器儲能的DC/DC轉換器(降壓電路Buck、升壓電路Boost、降壓-升壓變換器Buck-Boost)、基于電容器儲能的電荷泵、電池充電管理芯片、鋰電池保護IC。

選用電源管理芯片時應注意：選用生產工藝成熟、品質優秀的生產廠家產品;選用工作頻率高的芯片，以降低周邊電路的應用成本;選用封裝小的芯片，以滿足便攜產品對體積的要求;選用技術支持好的生產廠家，方便解決應用設計中的問題;選用產品資料齊全、樣品和DEMO易于申請、能大量供貨的芯片;選用性價比好的芯片。

LDO線性低壓差穩壓器是最簡單的線性穩壓器，由于其本身存在DC無開關電壓轉換，所以它只能把輸入電壓降為更低的電壓。它最大的缺點是在熱量管理方面，因為其轉換效率近似等于輸出電壓除以輸入電壓的值。

LDO電流主通道在其內部是由一個MOSFET加一個過流檢測電阻組成，肖特基二極管作反相保護，輸出端的分壓電阻取出返饋電去控制MOSFET的流通電流大小，EN使能端可從外部去控制它的工作狀態，內部還設置過流保護、過溫保護、信號放大、Power-OK、基準源等電路，實際上LDO已是一多電路集成的SoC。LDO的ESD>4KV，HBMESD>8KV。

低壓差穩壓器的應用象三端穩壓一樣簡單方便，一般在輸入、輸出端各加一個濾波電容器即可。電容器的材質對濾波效果有明顯影響，一定要選用低ESR的X7R&X5R陶瓷電容器。

LDO布線設計要點是考慮如何降低PCB板上的噪音和紋波，如何走好線是一個技巧加經驗的工藝性細活，也是設計產品成功的關鍵之一。圖1說明了如何設計走線電路圖，掌握好電流回流的節點，有效的控制和降低噪音和紋波。優化布線方案是值得參考的。

LDO布線電路方案

圖1：LDO布線電路方案

如果一個驅動圖像處理器的LDO輸入電源是從單節鋰電池標稱的3.6V，在電流為200mA時輸出1.8V電壓，那么轉換效率僅為50%，因此在手機中產生一些發熱點，并縮短了電池工作時間。雖然就較大的輸入與輸出電壓差而言，確實存在這些缺點，但是當電壓差較小時，情況就不同了。例如，如果電壓從1.5V降至1.2V，效率就變成了80%。

當采用1.5V主電源并需要降壓至1.2V為DSP內核供電時，開關穩壓器就沒有明顯的優勢了。實際上，開關穩壓器不能用來將1.5V電壓降至1.2V，因為無法完全提升MOSFET(無論是在片內還是在片外)。LDO穩壓器也無法完成這個任務，因為其壓差通常高于300mV。

理想的解決方案是采用一個VLDO穩壓器，輸入電壓范圍接近1V，其壓差低于300mV，內部基準接近0.5V。這樣的VLDO穩壓器可以很容易地將電壓從1.5V降至1.2V，轉換效率為80%。因為在這一電壓上的功率級通常為100mA左右，那么30mW的功率損耗是可以接受的。VLDO的輸出紋波可低于1mVP-P。將VLDO作為一個降壓型開關穩壓器的后穩壓器就可容易地確保低紋波。

開關式DC/DC升降壓穩壓器

開關式DC/DC升降壓穩壓器按其功能分成Buck開關式DC/DC降壓穩壓器、Boost開關式DC/DC升壓穩壓器和根據鋰電池的電壓從4.2V降低到2.5V能自動切換降升壓功能的Buck-Boost開關式DC/DC升降壓穩壓器。當輸入與輸出的電壓差較高時，開關穩壓器避開了所有線性穩壓器的效率問題。它通過使用低電阻開關和磁存儲單元實現了高達96%的效率，因此極大地降低了轉換過程中的功率損失。

Buck開關式DC/DC降壓穩壓器是一種采用恒定頻率、電流模式降壓架構，內置主(P溝道MOSFET)和同步(N溝道MOSFET)開關。PWM控制的振蕩器頻率決定了它的工作效率和使用成本。選用開關頻率高的DC/DC可以極大地縮小外部電感器和電容器的尺寸和容量，如超過2MHz的高開關頻率。開關穩壓器的缺點較小，通常可以用好的設計技術來克服。但是電感器的頻率外泄干擾較難避免，設計應用時對其EMI輻射需要考慮。

圖2給出了Buck開關式DC/DC應用線路設計，需要注圖中粗線的部分：粗線是大電流的通道;選用MuRata、Tayo-Yuden、TDK&AVX品質優良、低ESR的X7R&X5R陶瓷電容器;在應用環境溫度高，或低供電電壓和高占空比條件下(如降壓)工作，要考慮器件的降溫和散熱。必須注意：SWvs.L1距離<4mm;Coutvs.L1距離<4mm;SW、Vin、Vout、GND的線必須粗短。

要得到一個運作穩定和低噪音的高頻開關穩壓器，需要小心安排PCB板的布局結構，所有的器件必需靠近DC/DC，可以把PCB板按功能分成幾塊，如圖3所示。1.保持通路在Vin、Vout之間，Cin、Cout接地很短，以降低噪音和干擾;2.R1、R2和CF的反饋成份必須保持靠近VFB反饋腳，以防噪音;3.大面積地直接聯接2腳和Cin、Cout的負端。