| 近年來,DC/DC開關調整器的工作頻率范圍介于20kHz到幾兆赫茲之間。雖然更高的開關頻率成為業(yè)界共同追求的目標,但是工程師們卻擔心這會導致效率的大幅度降低。近期業(yè)界推出了第一顆頻率高達8MHz的擁有低壓差線性調整器(LDO)輕負載模式的降壓調整器。與工作頻率為1MHz的調整器相比,該解決方案的電感器體積縮小了超過90%,同時卻保持出色的總體轉換效率。 DC/DC開關調整器是在兩個直流電壓之間進行轉換的有效手段。例如,鋰離子電池的放電電壓在4.2~2.7V之間變化,DC/DC開關調整器能夠將其轉換為一個穩(wěn)定的1.8V電壓,為微處理器供電。同時保證高于90%的轉換效率。這非常重要,尤其是在電池供電的電路中。 線性調整器同開關調整器一樣能夠降低和調節(jié)輸入電壓的大小,只是效率較低。線性調整器的效率定義為輸出電壓和輸入電壓之比。例如,4.2V的輸入電壓通過線性調整器后,產生1.8V的輸出電壓,則該線性調整器的轉換效率僅為43%。盡管線性調整器的效率較低,但是現(xiàn)在的手機仍在各處使用10~25個這些效率較低的線性調整器來實現(xiàn)DC/DC轉換。這是由于線性調整器與開關調整器不同,它們不需要通常體積較大的電感器來實現(xiàn)電壓轉換(見圖1)。 一直以來,開關調整器的工作頻率范圍為20kHz到數(shù)MHz。開關調整器電感的體積與其工作頻率成反比。一個工作頻率為500kHz的降壓調整器通常情況下使用的是10uH范圍的電感器;1MHz的降壓調整器通常使用4.7uH的電感器;而2MHz的降壓調整器通常使用的是2.2uH的電感器。一個持續(xù)提供500mA電流的小外形尺寸的4.7uH電感器通常占位面積為一個邊長為3~4mm的正方形,并且高度為1.8mm甚至更高。再加上典型的開關調整器IC的封裝大小(如3x3x0.85mm)與500mA的線性調整器(如Micrel小巧的2x2x0.85mm大小的MIC5319(該方案比典型解決方案的尺寸的1/5還要小))相比,要大得多。 為了滿足空間敏感應用中對越來越小的電感的需求,領先的模擬IC供應商提供了頻率更高的降壓調整器。TI公司于2004年推出了一款頻率為3MHz的器件;隨后,凌特科技和Maxim公司在去年也分別推出了頻率為4MHz的器件。開關頻率介于3-4MHz之間時,電感值能夠降低到1uH,因此電感體積也會相應地縮小到3x3x1.2mm左右。截至目前為止,想要找到一個電感值為1uH并且高度遠小于1mm的小的表貼電感是不可能的。 2006年,Micrel公司通過提供業(yè)界第一個8MHz的降壓調整器,打破了電感值1uH的最低值記錄。該解決方案的特點在于擁有一個電感值為0.47uH,體積僅為1.25x2x0.55mm的小型片狀電感器。與1MHz的解決方案相比,該調整器的電感器體積縮小了95%(見圖2)。如圖2所示,這也是電感器首次比開關調整器IC封裝本身還要小。 在該解決方案出現(xiàn)以前,速度為8MHz的DC/DC開關調整器被認為是不可達到的,因為電源設計師們擔心隨著頻率的提高,效率也會相應降低。開關調整器的效率損失由傳導損耗和開關損耗組成。傳導損耗受提供的電流及功率場效應晶體管阻抗影響,其不受頻率影響;開關損耗包括柵極驅動和體二極管傳導造成的損耗,電源每開關一次就會消耗固定數(shù)量的電能。因此,每秒鐘內電源開關的次數(shù)越多,這些損耗值隨頻率而變化的元件所消耗的功率就越大。  圖1：可調節(jié)輸出電壓的DC/DC開關調整器和線性調整器的典型電路  圖2：隨開關頻率的增加,解決方案體積和高度的比較
為了避免8MHz降壓調整器的性能受到隨頻率影響的開關損耗的影響,Micrel公司通過使用一個高速的BiCMOS專利技術解決了效率問題。該技術在頻率更高的狀態(tài)下仍能使電源開關次數(shù)減少。圖3是2MHz降壓調整器(MIC2205)和8MHz降壓調整器(MIC2285)的效率比較。這兩種產品擁有同樣的內核設計,它們的主要不同之處在于工作頻率不同。如圖所示,工作頻率更高并不會導致效率的大幅度降低。  圖3：2MHz和8MHz調整器在有負載時的效率差別 噪聲性能和輕負載效率 在固定的高頻率工作的主要優(yōu)勢在于其頻率很容易被過濾,因為濾波器元件變得非常小。此外,在蜂窩網絡和高速DSL中,如此高的頻率允許用戶處于主要的傳輸頻帶之外,以避免干擾。在高頻以固定頻率工作能夠提供極好的噪聲性能,手機處于待機模式時通常具有低負載的電流,而開關損耗卻導致了整體效率大幅度地降低。為了解決該問題,Micrel公司的MIC2285提供了LDO輕負載模式,通過使用一個稱為LOWQ的引腳就可以切換到這種模式。圖4為MIC2285的一個概念方框圖。  圖4：MIC2285的概念內部方框圖 LDO與DC/DC變換器并聯(lián)在一起,通過一個邏輯電平信號觸發(fā)LOWQ引腳,LDO就能夠提供能量輸出。 在便攜應用中,處理器在休眠模式中消耗最小的電流。在這種模式下,由于LDO只消耗20uA的極低的靜態(tài)電流,因此具有很高的效率。 LDO模式的另一優(yōu)勢在于其工作時噪聲很小�；鶐幚砥骷癉SP對輸出電壓有嚴格的要求。當處理器從休眠模式被喚醒并進入全功率模式時,LDO采用最小的輸出電容就能夠提供所需的電流階躍,然后開關調整器再取代LDO為處理器供電�，F(xiàn)在業(yè)界通常所使用的其它調整器采用的是輕負載脈沖頻率調制(PFM)方案。當其達到良好的輕負載效率時,瞬態(tài)響應就會出現(xiàn)問題,并且在整個頻率范圍之內都會產生不可預知的噪聲。這不但加大了設計成本,同時也導致解決方案體積增大很多。 圖5為與具有PFM模式輕負載方案的業(yè)界標準降壓調整器的對比。  圖5 如圖5所示,在負載小于1mA的情況下,業(yè)界標準部件提供的輕負載模式具有超過150mV的噪聲。當負載電流約為30mA時,該器件會轉變成PFM模式,同樣會制造出很大的噪聲。而且在PFM模式轉為PWM模式的過程中,會產生最大的輸出電壓偏離。為了濾除噪聲,需要使用很大的輸出電容,但這會加大成本投入,同時導致設計出的產品體積增大。相反地,MIC2285卻能夠在負載情況發(fā)生變化的情況下,表現(xiàn)出穩(wěn)定的輸出電壓。 本文小結 手機正在持續(xù)演進,體形變得越來越輕薄和小巧,同時功能在不斷加強。這使得用效率高、體積小的DC/DC開關調整器解決方案取代低效率的線性調整器變得越來越重要。Micrel公司的突破性的8MHz開關調整器能夠使電感體積縮小90%以上,同時卻仍能保證整體的高效率,并且提供杰出的瞬態(tài)性能,從而展示了該產品的生命力。 |
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