便携式应用中的DC-DC 变换器

DC-DC的开关型电源变换器在整个电子行业中正得到越来越多的应用。对于电路板空间和发热管理都异常严格的便携式应用来说，经济高效的电源变换器将起到特别关键的作用。如今，在决定是采用线性低压降(LDO)稳压器、电感型开关模式DC-DC变换器还是电容电荷泵DC-DC变换器来完成电源转换方面，便携式应用的设计者要综合考虑许多因素——总成本、效率、集成度、设计灵活性和封装，并作出折衷选择。
当今的许多便携式应用采用单格锂离子电池，在各种化学成分不同的可充电电池中，它的能量密度是最高的，可以实现的外形最小。从充满到放空的过程中，电池电压一般从4.2V降到2.7V，在放电周期大部分时间中单格电池的电压约为3.7V。不可充电的单格或双格式碱性电池也很流行。每个电池的电压范围是1.5V~0.9V。在许多应用中，需要提供种类不少的电源电压，来满足系统中各类器件的要求。处理器核常用的电源是1.1V，存储器要用2.5V和3.3V的电源，Compact Flash或USB等扩展接口所用的电源为5V，而LCD偏压或白光LED显示背光电路要求28V的电源。由于折衷考虑各种因素时侧重点不同，设计者们推出了多种不同的电源变换方式。图1对各种DC-DC变换器结构进行了一个简要的总结。

图1 各种电压转换方法的结构

图2  采用SOT-23封装的电荷泵，用于驱动一个白光LED
现有的解决方案
LDO稳压器可适用于降压变换，具体效果与I/O电压比有关。从基本原理来说，LDO根据负载电阻的变化情况来调节自身的内电阻，从而保证稳压输出端的电压不变。转换效率可以简单地看作输出与输入电压之比。尽管在从3.7V电池电压到3.3V存储器电压变换过程中，LDO的效率高达89％，但是在将同样的电池输出变换成1.1V处理器核电源时，效率只有29%。如今LDO以芯片级封装等各种形式出现，所占面积仅为几个平方毫米，而且在小型应用时只要求一个陶瓷输入和输出电容即可工作。由于采用线性调节原理，LDO本质上没有输出纹波，一个理想的应用是对“强噪声”的开关型稳压器输出进行滤波，为声频放大器或RF电路供电。LDO的I/O电压之间的差别扩大以及输出电流增加时，LDO的发热也按比例增大。功率损失可以近似由I/O电压差乘以流过线性通路元件的电流得到。
电荷泵，也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”(flying)或“泵送”电容(而非电感或变压器)来储能的DC-DC变换器。它们能使输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压。其内部的FET开关阵列以一定方式控制快速电容器的充电和放电，从而使输入电压以一定因数(0.5,2或3)倍增或降低，从而得到所需要的输出电压。这种特别的调制过程可以保证高达80％的效率，而且只需外接陶瓷电容。由于电路是开关工作的，电荷泵结构也会产生一定的输出纹波和EMI(电磁干扰)。一些电荷泵架构采用了双电荷泵形式，并增加一级输出电压调节，以减小EMI和纹波。电荷泵最大输出电流只限于约300mA，主要受到集成的开关晶体管和外接“快速”电容的尺寸限制。电荷泵可以采用小外形的SOT-23或无引脚的QFN封装，从而有助于节省电路板面积，为要求效率高于LDO器件、而空间不够或成本预算不足以支持采用更高效的电感型DC-DC变换器应用，提供了一种解决方案。图2示出了一个电荷泵实例，它用于驱动一个用作显示器背光的白光LED。
电感型开关式DC-DC 变换器利用了磁场储能，不论是升压、降压还是两者同时进行，都可以实现最高的电源转换效率。尽管它与线性或电荷泵式器件相比要求更大的电路板面积，但对于要求更大电流的应用来说却十分理想。由于转换效率很高，因此发热很小，这也使得散热处理得以简化。特别是，与LDO器件相比时，它常常不需要附加一个占大量空间的、成本较高的散热器。其高达97％的效率也提高了电池寿命。DC-DC 变换器也以DC-DC 控制器形式出现，它能够保证设计有很大的灵活性，设计者可以选用有特定导通电阻的外接FET晶体管，并根据应用的需要调整电流限。这在需要数十安培电流的非便携式设备中非常有用。先进封装技术也使得开关晶体管能集成到器件中，使得开关式DC-DC变换所能提供的电流范围从SOT－23形式封装的100mA电流到芯片级TSSOP－28形式封装的9A。考虑到集成有FET的电感型开关模式DC-DC变换器的电流输出能力和效率，它使用时只需外接一个电感和必不可少的输入、输出电容，故可以使整个解决方案的空间利用率大大提高。

图 3  由单格碱性电池供电的升压DC-DC变换和LDO组合模块

图4  单锂离子电池应用中的DC-DC降压变换器
图3中的实例表明了如何结合线性调节方法来有效利用DC-DC 变换器。该升压DC-DC变换器可以将来自一个碱性电池的1.5V~0.9V电压输入提升到3.3V的系统电源电压。在同一芯片中集成的LDO电路随后把该电压向下变换为一个1.8V的处理器核电源电压。两种功能模块都集成在4mm×4mm的QFN无引脚封装中，从而只需很小的电路板面积。
图4示出了能量效率高而占用空间小的DC-DC 降压变换器的如何运用的实例。反极性DC-DC变换器对来自单格锂离子电池的2.7V~4.2V的电压输入进行降压变换，为1.2V的处理器核供电，其效率高达95％。电路使用了集成有若干开关FET的同步DC-DC降压变换器，只用了3个外接元件，所占用的电路板面积仅比一个基于类似的LDO器件的电路大30％，而效率却是其3倍，从而能大大提高电池寿命。
在设计中考虑便携式装置的电源时，开发者要在系统整体方案的成本、电路板面积和效率之间进行折衷。LDO稳压器和电荷泵器件为电流输出要求较低的应用提供了体积小且价廉的解决方案，而DC-DC 开关型解决方案能保证高得多的电源转换效率，如果延长电池寿命是头等要求，则将是合理的选择。