随着功能和处理能力的提高，降压转换器在手持设备中激增

便携式消费电子产品正在集成许多新功能。系统设计人员面临的挑战是满足消费者对小物理尺寸和长电池寿命的期望。每个新产品功能都需要额外的空间和额外的处理能力。同时，留给电池的空间越来越小，对更高电源输出电流和更小空间内效率更高的需求也在增加。本文认识到这些电流对电源设计的要求，并比较了小型便携式设备中使用的不同稳压器类型。

介绍

现代便携式消费电子产品集成了许多新功能，以至于最新的化身往往很难分类。虽然更多的功能可以增加销售额，但系统设计人员面临的挑战是满足消费者对小物理尺寸和长电池寿命的期望。每个新功能都需要额外的空间和额外的处理能力。这为电池留下了更少的空间，并增加了电源需求，以在更小的空间内以更高的效率获得更高的输出电流。

对更高功率的需求改变了设计标准

就在一两年前，大多数手持电子设备通常不使用或一个降压转换器和许多低压差（LDO）线性稳压器来为各种功能块供电。这很有效，因为流行的处理器通常以3.0V至3.3V供电，在该电压范围内，LDO在单节Li+电池输入下具有适当的效率。然而，随着加工需求的增加和IC工艺技术向更小的亚微米几何形状迁移，流行的内核电压降至1.8V、1.5V、1.3V甚至0.9V。此外，典型的I/O电压已从3.3V降至2.5V或1.8V。在如此低的输出电压下，LDO变得非常低效并产生大量热量，从而抵消了低压内核和I/O的一些优势。因此，为了在低输出电压下保持高效率，设计人员必须改用降压转换器。

为了满足对低电源电压的需求，许多系统现在依赖于多个处理器。手机+PDA组合就是一个很好的例子，因为它通常有一个基带处理器和一个应用处理器，每个处理器都需要单独的电源。当今流行的蜂窝手机和PDA相机模块仍然倾向于在LDO上运行，但相关的图形处理器通常需要低电压。因此，现代多功能设计通常采用多个降压转换器。在PCB上找到三个降压转换器的情况并不少见。

虽然最新的定制电源管理IC（PMIC）已经集成了一个或多个降压转换器，但对于这些手持应用来说，这通常是不够的。对于每个新功能，都有可能出现另一个降压转换器，或者需要具有更高输出电流能力的降压转换器。越来越明显的是，那些使用分立电源IC在各种产品组合中快速提供新功能的制造商正是市场份额增长最快的制造商。

尺寸的挑战

直到最近，增加降压转换器的成本不仅可以用真钱来计算，还可以用大量的印刷电路板空间来计算。三年前，典型的小型降压转换器采用15mm²MSOP封装，开关频率为1MHz或更低，需要一个大的外部电感器和通常的大钽电容。如图1b所示，如今的1MHz降压转换器采用9mm²TDFN封装、陶瓷电容和更新、更小的电感器，得到了极大的改进。然而，1MHz降压转换器仍然比典型的LDO大得多，如图1a所示。

解决尺寸问题的关键在于，现代亚微米BiCMOS混合信号工艺可实现更小的电源IC和更快的开关频率，用于更小的外部元件。如今，许多制造商在小型封装中提供2MHz或更高的频率。如图1c所示，4MHz降压转换器方案，如Maxim的MAX8560，可能几乎与LDO一样小！在高开关频率下，可以使用非常小的现代片式电感器，例如 Taiyo Yuden 的 2012 外壳尺寸的 CB0805 系列。

尽管工艺进步使1MHz和4MHz降压转换器都受益，但4MHz降压转换器仍低于1MHz降压效率，如图2所示。高速开关会在转换器中产生更多的开关损耗和容性损耗，而微小电感往往具有更多的磁场磁芯损耗。然而，效率差异并不大，特别是与LDO的低41%效率相比。

总结

这给系统设计人员留下了电源管理选择：a）最小尺寸，b）最高效率，或c）小尺寸和高效率，后者允许在电池寿命和物理尺寸之间平稳权衡。由于高频降压转换器（选择c）在尺寸几乎没有增加的情况下提供了如此显着的效率改进，因此它正在成为多功能便携式消费类手持设备中最受欢迎的解决方案。展望不久的将来，由于降压转换器产生的热量比LDO少，因此有可能取代LDO成为最小的解决方案。

图1.LDO线性稳压器（a）虽然效率不高，但物理尺寸很小。传统的1MHz降压转换器（b）提供非常高的效率，但尺寸损失很大。最新的高速4MHz降压转换器（c）的尺寸接近LDO，效率接近1MHz降压转换器。

图2.两款降压转换器的效率都远高于LDO线性稳压器。然而，4MHz降压转换器牺牲了几个效率点来实现更小的解决方案。

审核编辑：郭婷