比较三种基本电源架构的权衡

许多使用小容量电池运行的系统需要高效的开关 DC/DC 转换器来延长电池充电之间的工作寿命。然而，其中许多系统还需要低压差线性稳压器 (LDO) 的低噪声来为敏感的模拟电路(如传感器、无线电或数据转换器)供电。极其有限的印刷电路板 (PCB) 空间使智能手表、健身追踪器、耳塞以及其他消费类和医疗可穿戴设备的电源设计更加复杂。

效率、输出噪声和尺寸的权衡需要针对每个特定系统的优化解决方案。本文比较了三种基本电源架构，即仅 DC/DC、仅 LDO 和 DC/DC 后接 LDO，并牢记它们对特定应用的适用性。

系统架构

许多便携式设备使用单节可充电锂电池供电，电压范围约为 3 V 至 4.2 V。许多一次性医疗设备使用一次(不可充电)化学电池供电，例如纽扣电池和 AA 或 AAA碱性。在许多情况下，电源还必须通过 USB 端口运行，该端口提供 5 V 及以上的电压。电源采用此输入电压并将其降低至系统负载所需的各种电压，例如 1.2 V。降压(降压)DC/DC 转换器或 LDO 可降低电压。

典型的 DC/DC 转换器比典型的 LDO 效率更高，但 DC/DC 的噪声比 LDO 高。这两个转换器通常组合在一起，LDO 位于 DC/DC 之后，以降低输出噪声，同时仍保持良好的效率。但是，这需要更大的PCB空间和更高的两个器件成本。

图 1显示了 DC/DC 加 LDO 架构的示例。DC/DC 将输入电压降至 1.4 V，而 LDO 将 1.4 V 降至负载所需的 1.2 V。LDO 的 BIAS 引脚允许非常低的 200mV 压差电压，从而提高了整体效率，同时仍提供良好的噪声抑制。

图：1：DC/DC-plus-LDO 架构的框图。

或者，您可以移除 LDO，DC/DC 可以直接输出 1.2 V。这是仅 DC/DC 电路。或者，您可以从图 1 中移除 DC/DC，并让 LDO 直接将输入电压降至 1.2 V。这是 LDO 专用电路。这三种配置各有优缺点。1

效率电源的效率决定了电池在需要充电或更换之前可以使用多长时间。由于此运行时间是大多数便携式系统的关键特性，因此需要尽可能高的效率。这有利于仅 DC/DC 架构;但是，某些 DC/DC 的输出噪声对于某些负载来说太高了。在这些情况下，在 DC/DC 之后添加 LDO 可提供比仅 LDO 架构更高的效率，但比仅 DC/DC 架构略低的效率。DC/DC 加 LDO 架构更适合负载要求最低噪声的高性能系统。图 2比较了三种架构在 3V 输入电压和 1.2V 输出电压下的效率。

图 2：三种电源架构的效率比较。

德州仪器 (TI) TPS7A10 LDO 设计用于跟随 DC/DC 以产生低输出电压，并且仅限于低于 3.3 V 的输入电压。如果您需要使用纯 LDO 架构支持更高的输入电压，TI 的 TPS7A05 是支持高达 5.5 V的低静态电流 (I Q ) 选择。2随着输入电压的增加，仅 DC/DC 和 DC/DC 加 LDO 架构的效率略有下降。仅 LDO 架构的效率随输入电压线性下降，因为任何 LDO 的效率近似为

正因为如此，当输入电压和输出电压之间的差异很小时，仅 LDO 架构很受欢迎。例如，使用 LDO 将 3.6V 电池电压降至 3V 输出电压的效率为 83%。

在非常轻的负载下，大约低于 10 µA，电源的 I Q 决定了效率。TPS7A10 LDO 的 I Q 约为 6 µA，而 TPS62801 DC/DC 仅提供 2.3 µA 的I Q。使用诸如 TPS7A05 LDO (1-µA I Q ) 和 TPS62743 DC/DC (0.360-µA I Q ) 之类的器件，可以实现更低的 I Q 以及在非常轻的负载下相应的更高效率。或者，通过降低 TPS62807 中的开关频率，可以在更高负载下实现更高效率。通过器件选择，一个参数(例如效率)最大化，同时权衡其他参数，例如尺寸、成本和最大输出电流。

输出噪声

测量任何电源的输出噪声的方法有很多种，所以我只举两个例子：用示波器在时域测量输出纹波，用频谱分析仪在频域测量输出噪声密度。

图 3 显示了 DC/DC 加 LDO 架构在 3.6V 输入电压和 1mA 负载电流下的输出纹波测量。DC/DC 在省电模式下工作以实现最高效率，但工作频率较低，纹波较高。3

LDO 的电源抑制比 (PSRR) 可以轻松抑制较低频率，从而消除任何纹波痕迹。在足够高的频率下具有足够低的纹波对于为无线电设备(例如低功耗蓝牙)供电至关重要，而不会影响其灵敏度。

图 3：DC/DC 加 LDO 架构的输出电压纹波。

图 4 显示了所有三种电源架构在 3V 输入电压和 10mA 负载电流下测得的输出电压噪声密度。输出噪声在一个频带(通常为 10 Hz 至 100 kHz)上进行积分，然后求和以产生以微伏 RMS (µV RMS ) 为单位的总均方根 (RMS) 噪声值。正如预期的那样，即使在 DC/DC 之后使用 LDO，它的总噪声也最低。DC/DC 和 DC/DC-plus-LDO 曲线中的峰值代表 DC/DC 的开关频率及其谐波。LDO 明显降低了这种开关噪声的幅度。

图 4：三种电源架构的输出噪声密度比较。

解决方案尺寸

对于任何开关 DC/DC 转换器，开关频率与解决方案尺寸和效率成反比。较高的开关频率允许使用更小和更低高度的电感器和电容器，同时由于开关损耗增加而降低效率。为小型便携式应用设计的现代 DC/DC 转换器使用创新技术来实现非常小的尺寸和高效率。

TPS62801 DC/DC 和 TPS7A10 LDO 采用 4MHz 开关频率和晶圆芯片级封装 (WCSP)，可实现 8.5 mm 2的微型解决方案总尺寸。每个器件的引脚排列和 PCB 布局都经过优化，以便在两个器件之间共享电容器(图 5中的 C1 和 C2)。高 DC/DC 开关频率支持使用最小的无源元件运行：0201 (0603) 电容器和 0402 (1005) 片式电感器。图 5是实际 PCB 布局的放大图，它使用 250-µm 的元件到元件间距。

图 5：DC/DC-plus-LDO 架构的实际解决方案尺寸。

仅 DC/DC 架构的组件仅占用 5.5 mm 2，而仅 LDO 架构将占用约 4 mm 2。虽然所有可穿戴应用都需要较小的解决方案尺寸，但有些应用需要尽可能小的尺寸。许多医疗传感器贴片(和其他体内应用，例如)需要最低输出噪声和最小尺寸的仅 LDO 架构。添加一个 DC/DC 来提高效率根本不适合。

结论

设计一个小型电池供电系统需要在效率、输出噪声和尺寸之间进行权衡。比耳塞或医疗贴片稍大的智能手表和健身追踪器使用带有 DC/DC 的电源架构以实现最高效率。但即使是那些系统也有某些轨道，例如传感器和数据转换器，需要最低噪声的 LDO。表 1总结了本文中讨论的权衡取舍，基于参考 1 中的示例设计。