集成功率无源器件和战术权衡以实现电源效率

电源效率是任何设计的关键要素。电源管理变得越来越复杂，在搜索中，每一微安都很重要，以延长电池寿命或最大限度地减少热量。本应用笔记探讨了矛盾的工程权衡，例如降低开关电源的纹波以及管理待机和睡眠模式下的电源，以实现更高的电源效率。

介绍

电源效率 - 我们在设计中都必须处理它。电源管理始终是任何设计的关键要素，如今电源管理是一个特别复杂和困难的话题，因为我们必须计算每一微安，以延长电池寿命或最大限度地减少热量。有时，作为一名设计工程师，感觉就像走钢丝一样。我们通过迭代求解，重新审视各种操作模式，重新定义条件，并根据应用需求平衡权衡。

看似微小的变化的持久影响

电路设计的普遍挑战（有时甚至是诅咒）是用最少的元件降低电源的噪声和纹波。这是电源效率的核心。它可能是一个难以捉摸的目标，甚至对没有经验的人来说显得荒谬。然而，每一个看似微小的变化都会产生影响。

聪明的电源设计人员将电感器移动八分之一英寸，并在电路板上旋转90度。因此，电源效率提高了 20%。这就是功率去耦电容和输入源阻抗或电阻至关重要的地方。2没有经验的设计人员试图节省几分钱，并在使用具有较高等效串联电阻（ESR）的劣质电容器时损失能量作为热量。相反，通过增加串联电感、电阻和铁氧体磁珠，将其制成低通滤波器，可以提高电源去耦电容器的有效性。当应用程序具有已知的敏感带宽要求时，此技术会有所帮助。通过了解应用的带宽需求，我们可以优化噪声抑制并减小去耦电容尺寸。3让我们仔细看看我们可用的一些设计挑战和权衡，以及我们如何通过权衡来协商每个挑战和权衡。

减少纹波

开关电源具有输出纹波。一种方法是使用滤波来减少这种纹波。另一种方法是通过使用多个时间交错的切换器来减少纹波。最常见的方法是使用两相或三相器件。两个或三个同步纹波序列组合在一起的事实减少了纹波。很好，是的，但元件数量需要权衡：通常需要两个或三个较小的电感器（每相一个）。

另一个主要考虑因素是电压允许的纹波。在GSM手机的情况下，功率脉冲发生在217Hz及其谐波。电池的内部阻抗随电流消耗而变化，因此电池两端的去耦电容非常重要。需要多大的电容？没有简单的答案。它成为优化功率解耦的迭代过程。电路板布局、电容尺寸和电介质对系统复杂性有很大影响。此外，在不过度清洁的情况下使电源尽可能清洁很容易需要额外的电源去耦电容器或电容。

最大化多个电路的电流利用率

让我们谈谈堆叠电路。假设我们有两组数字电路，它们消耗相似的电流量。这些电路的输入和输出很少，可以工作在大约2.5V，但电源为5V。我们可以使用降压开关电源，并在少量热损失的情况下产生2.5V。将电路一个堆叠在另一个之上怎么样？例如，电路1的工作电压范围为地至2.5V，电路2的工作电压范围为2.5V至5V。实际上，我们正在使用电流两次。电路1和电路2的功耗保持不变，降压转换器不会产生额外的热量。然而，有一个缺点，因为进出电路的电压需要上下转换。与降压转换器相比，转换几个信号更简单，功耗更低，产生的热量更少。

开关电源

回转器将电容转换为电感。虽然回转器不能像开关电源中的真实电感器那样存储能量，但它们可以方便地用作低通功率滤波器。开关电源可以利用抽头电感器、自耦变压器和具有多个绕组的实际变压器进行隔离。最有效的电源是与其负载相匹配的电源。了解系统应用可以调节主电源并允许子电源操作开环。

耗散功率和降低电压

用于互补金属氧化物半导体（CMOS）（图1）的逻辑电路以两种方式耗散功率：通过泄漏和通过开关时的充电和放电电容。泄漏往往取决于IC工艺。随着晶体管尺寸的缩小，电源电压降低，绝缘层变薄。漏电流，无论是反向偏置结电流还是亚阈值电流，通常都是功率损失，因为它对手头的工作没有贡献。工作或动态功率通常比漏电流大几个数量级。参见图2。

图2.CMOS输入引脚上的电压与电源电流的关系数据为MAX5391数字电位器。

关于开关还有更多要说的：开关频率越高，功率损耗越高。开关带来的最大节能来自降低工作电压。将电压分频二，同时保持电容和频率，可将功耗降低四倍。这可以通过公式 P = CV 来解释2f，其中术语是功率、电容、电压和频率。所有项都是线性的，除了电压，它是二次的。这就解释了为什么电压会产生如此大的影响。

电压降低带来了其他权衡。较低的电压摆幅会使抗噪性成为问题。如果选择半电压时钟，则必须上下转换电压。金属氧化物半导体（MOS）晶体管变慢，因为阈值电压不能随电压缩放。如果您需要避免不成比例的漏电流，这可能是一个主要问题。

降低电容

在设计中降低电容一直是提高性能和降低功耗的好方法。电容分为两类：寄生电容和不可避免电容。7, 8由于电容和频率的乘积很重要，因此我们可以权衡两者。我们总是尽可能降低寄生电容;对于不可避免的电容，我们尝试降低频率。9降低开关频率的一种有效方法是使用时钟门控停止时钟。这消除了任何开关，并消除了当前功能不需要的电路的电源。某些处理器休眠时时钟频率大大降低。它们可能使用 32kHz 时钟，而不是兆赫兹时钟速率。32kHz晶体是常见的手表频率。通过这种方式，处理器可以准确跟踪时间并以精确的间隔唤醒。

在待机和睡眠模式下管理电源

了解应用的工作与待机或睡眠模式的比率对于优化功耗至关重要。IC制造过程以一些微妙的方式极大地影响功耗，我们将在下面讨论。几年前，当电池供电的设备在更换电池之间必须持续10年时，工程师们就开始考虑这个问题。这些设备包括住宅天然气和水表，以及烟雾和一氧化碳 （CO） 报警器。另一个引人注目的例子是带时钟的微波炉。时钟 24/7 全天候供电，微波炉每天使用几分钟，因此烤箱和时钟一年的电力成本可能相等。“吸血鬼力量”就是我们所说的在睡眠期间或操作似乎关闭时使用的看不见的力量。

我们可以使用另一个假设的例子来说明这个问题。我们有两种IC工艺。场景A在工作期间消耗15mA电流，在休眠模式下消耗50nA电流。我们将方案B的工作电流降至6mA，但漏电流高达250nA。方案 B 中的这种泄漏严重影响了电池供电的应用，其中设备必须在 99.99% 以上的时间内休眠，以便电池持续使用多年。每天唤醒一秒钟的设备是86，400分之一。对于场景 A，每天使用的总电流为 0.01932 安培秒（即，工作期间为 0.015 安培秒，睡眠模式下为 0.00432 安培秒）。对于场景 B，总计为 0.02760 安培秒（即，工作期间为 0.006 安培秒，睡眠模式下为 0.0216 安培秒）。惊喜。场景B有了“改进”，新的更低工作电流实际上表现更差！冒着说教太多的风险，这个例子强调了很好地理解IC制造过程的应用和相互作用的必要性。

如何降低需要远程控制的消费类电器的待机功耗？有许多可能的答案。如果电源指示灯对于客户信心是必要的，那么我们可以使LED闪烁几微秒，这比人类的闪烁短，因此很容易被人们看到。

降低待机功耗的另一种选择是使红外辐射 （IR） 接收器大部分时间处于睡眠状态。为此，按下“ON”按钮时遥控器必须打开两秒钟;“ON”红外代码由重复的“ON”代码调制，这些代码对于此类设备是唯一的。设备（包括用于识别 IR 代码的微处理器）尽可能关闭。当IR接收器唤醒时，它有一个带通滤波器，允许IR调制通过并整流其输出。这使得接收器忽略其他频率的阳光和红外遥控器。检测到 IR 调制时，微处理器会打开以查看 IR 代码是否与此设备的代码匹配。它可以使用两秒“ON”命令的其余部分来执行此操作。如果代码匹配，设备将唤醒。如果代码不匹配，设备将重新进入睡眠状态。这种方法降低了电路在待机模式下的工作功耗，并使用带通整流的“ON”信号来最大程度地减少错误唤醒呼叫的可能性。

这里还有另一个重要情况需要考虑。如果输入交流电源丢失会怎样？在人们使用遥控器将其打开之前，设备会保持关闭状态吗？在这里，我们需要考虑设备的安全性，也许还需要考虑操作环境。例如，我们不希望烤箱、吹风机或加热设备在没有通知的情况下打开并引发火灾。

管理模式以延长电池寿命

了解电源负载的确切行为使我们能够自定义模式更改以匹配电池条件。电路可以根据其接受电压摆动或调节容差的能力进行分类。

具有严格稳压容差要求的模拟电路：ADC、DAC、RF功率放大器

具有更宽稳压容差的模拟电路：运算放大器和具有良好电源抑制比（PSRR）的电路

具有严格电压容差的数字电路：输入和输出 （I/O） 以及外部接口

具有中等严格电压容差的数字电路：CPU 和存储器

具有宽松电压容差的数字电路：随机逻辑和状态机

手机是模式更改如何延长电池寿命的一个例子。当电池几乎充满电时，开关可以直接向某些电路提供电池电压，而将降压转换器用于其他电路。当电池电压下降时，降压转换器的电源可以切换为直接接收电池电源。此外，随着电池电压的持续下降，电压可能需要升压转换器以最大限度地延长电池寿命。从这个例子中，我们可以理解了解电源负载及其灵敏度如何成为延长电池寿命的优势。

现代智能手机可以在不同的模式下运行，每种模式都有自己的电源问题。在这里，成功提高电源效率的关键是充分了解应用。在高功率下，它可以作为全双工模式下的电话运行，同时发送和接收。传输对用户来说可能是连续的。然而，工程师可能会看到系统在时隙中传输时的脉动功率（时分多址，或TDMA，早期的全球移动系统（GSM）通信），或者在直接序列扩频系统（码分多址，或CDMA）中看到更连续的功耗。

操作模式也会发生变化以适应特定的操作配置。再次以智能手机为例，它可能有十几种或更多的操作模式，例如飞行模式（无无线电传输）;仅无线传输;MP3播放器;带开、关或暗显示的逐向指示;游戏模式;纯文本;照相机;Skype;电子书阅读器;和数以千计的应用程序。在这些模式下，有机会通过关闭不需要的电路来延长电池寿命。

结论

知识就是力量。对应用程序的详细了解是设计师可以使用的最强大的工具。它决定了问题的界限，但仍然允许聪明的工程师创造性地思考，减小尺寸和成本，延长电池寿命，并最终为用户提供愉快的操作体验。

对于大多数工程师和读者来说，这一切似乎都是显而易见的。然而，优化电源效率的任务和努力并不像看起来那么简单。对于每个挑战，尤其是每个决定，电源设计人员都必须平衡权衡，就像走在紧绳上一样。即使是其他看似无关的电路上的微小变化的相互作用也需要不断保持警惕。因此，我们的设计过程必须是迭代的，改变一些小东西来优化系统的整体功耗。这也是为什么一个经验丰富的电源设计师可以在延长电池寿命方面发挥作用的原因。

审核编辑：郭婷