如何实现更精巧的电源解决方案

本文详述电源电路的最新发展状况。文中还将介绍数款器件，说明电路架构与封装技术的进步如何促成体积更小的电源解决方案。

把不同功能集成到同一芯片是PDA、便携式导航系统 (GPS) 和智能型手机等便携式产品的发展趋势。就在几年前，应用产品的每一组电源都需要单独的电源转换器，但随着电池供电型产品的功能日益复杂，电源设计也开始改变，把产品所需的各种电源整合在一起已成为潮流，除了处理器所需的电源外，还有蓝牙模块、无线网络模块和屏幕等其它功能也需要独立的电源。在这类应用中，电源供应方式可分为几种：
• 采用内含其它功能的电源供应芯片，例如CODEC、ADC、音频放大器和充电器等
• 单个芯片提供全部所需电源
• 功能模块专用的电源转换器

本文将介绍后面两种解决方案。在设计中采用功能模块专用的电源转换器有几项优点：首先是电路板的零件位置更容易安排，因为它们可直接放在处理器或无线网络模块等供电目标的旁边。其次，电路板布局更简单，因为信号不必穿越整张电路板。另外，这些电源与其它电路之间的耦合也会降至最低，这对GPS模块或锁相回路 (PLL) 等敏感性电源特别重要。

这种做法对于以现有解决方案为基础的后续产品开发计划也有好处，因为当工程师要改变产品设计时，他们可将变动范围局限在功能模块层级 – 设计人员只需修改功能升级的部份，其它电路则保持不变；相较之下，若应用只有一个电源芯片，工程师就要花更多精神让设计符合新要求。由于缩短开发时间已成为产品成功的关键，这类电源供应方式显然具有相当优势。

要提供这种解决方案，电源芯片必须达到几项要求。首先必须有一系列器件提供所需的各种电源，且其体积必须尽量缩小，以免占用太多电路板空间。其次，这些芯片应很容易针对不同的需求搭配不同的解决方案。德州仪器 (TI) 的TPS6502x和TPS6505x系列就是例子，这些器件专门为手持装置的应用处理器提供电源。由于不同系列的处理器会有不同的需要，它们也有专属芯片来支持个别型号或个别系列的处理器及应用。

一般而言，使用电池的应用都会要求电源在很大的输出电流范围内维持高效率，因此所有器件的操作都必须针对静态电流最佳化。所谓静态电流是芯片在不提供任何输出电流的情形下，继续维持输出电压所需的电流，这项参数对必须长时间处在待机模式的应用很重要。低静态电流不但延长应用的待机时间，对直流电源转换器在超低输出电流下的工作效率也有很大影响。

降压转换器等直流电源转换器的效率会受到三项因素影响：输出电流很大时，效率主要由内部电源开关的阻抗决定，因此低阻抗对这个操作范围很重要。对于采用固定频率脉宽调制 (PWM) 的降压转换器来说，负载周期是由输入对输出电压的比值决定。输出电压很小时，内部下端开关 (NMOS) 的导通时间会远超过上端开关 (PMOS)；如果输出电压很高，就变成上端开关的导通时间比较长。因此若假设所有转换器的输入电压都相同，设计人员就应针对转换器的目标输出电压来选择开关的大小和阻抗；一般来说，便携式应用的锂离子电池的电压范围大约从4.2V到3.0V，未来还可能进一步降低到2.5V。

当输出电流在10-200mA范围时，主要耗电来源就不再是开关阻抗，而是由电源开关的闸极电荷和电感功耗决定其效率。利用开关频率控制输出电流是在此操作范围保持高效率的重要技巧，这种做法称为脉冲频率调制 (PFM)。PFM基本上会提供固定的电能到输出端：输出电流很大时，开关频率就比较高，输出电流低时则降低开关频率，进而减少开关功耗。转换器的输出电流很低时，静态电流造成的固定功耗就如前所述决定整体的效率。

TPS6502x和TPS6505x系列的所有器件都采用低耗电最佳设计，故能在很大的电压和电流范围内提供最高转换效率。表1是TPS502x系列概况，这些器件包含3组降压转换器，分别提供系统电压、内存电压和处理器核心电压；它们还包含两组低压差线性稳压器(LDO)，负责提供电源给锁相回路 (PLL) 和SRAM或处理器的其它功能模块。这些器件还有许多功能未列在表中，例如后备电池支持、I2C界面和重置功能。

*转换器1-3的输出电压可通过外接电阻分压器调整，LDO电压则由两支数字输入接脚设定。另外，所有转换器和两组LDO的输出电压也能通过I2C界面设定。

若应用处理器需要更多电源，也可选择TPS6505x系列。上述器件包括两个降压转换器和4个具有较高的电源抑制比 (PSRR)的LDO。LDO可以提供电源给需要低噪声的模块，例如PLL、GPS模块或无线网络模块。TPS6505x系列的封装很小，而且只需很少的外部组件，故能设计出最小的电源供应解决方案。TPS6505x系列采用小巧的4 x 4毫米QFN封装，引脚间距只有0.4毫米，引脚总数则多达32支。这么多的引脚和QFN封装底部的散热垫，让TPS6505x系列成为散热效能优异的高集成解决方案。

图1：TPS65052的结构图

图1是TPS65052的结构图。这款器件专门支持三星电子 (Samsung) 的应用处理器，它们在低耗电模式需要1.0V核心电压，正常操作模式则需要1.3V电压。为了将外部零件减到最少，这款器件的降压转换器1会提供3.3V固定输出电压给I/O使用，转换器2则负责提供核心电压，且输出电压可设为1.0V或1.3V，具体设置视DEFDCDC2数字输入引脚的状态而定，因此不需外部零件来设定降压转换器的电压。LDO也是如此，这款器件会根据内部表格解读DEFLDO1到DEFLDO4等4只数字输入引脚的状态，再按照解读结果设定LDO输出电压。在这4组LDO中，有3组拥有独立的输入电压引脚，可接受1.5-6.5V之间的任何输入电压。这些LDO还能接受不同的电源，其中1组可由电池提供，其它则可来自降压转换器1或系统内的任何可用电源。工程师应为LDO选择最低输入电压，这能将设计最佳化以实现高效率。此系列的其它器件还能通过外部电阻分压器设定输出电压，确保应用设计更有灵活性。表2是TPS6505x系列选项。

除了降压转换器和LDO外，TPS6505x系列还包含1个具有100ms延迟时间的比较器，当它发现输入电压达到1V临界值时，就会在漏极开路输出引脚产生重置信号；另外，它还能通过引脚设定比较器动作的滞后时间。设计人员只要将比较器输出连接到任何一个转换器或LDO的启动引脚，就能在电压超过临界值时启动该LDO或转换器。TPS6505x使设计人员只需一个很小的芯片，就能产生6组不同的电源和处理器重置信号。