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1、天马行空官方博客：http:/ ；QQ:1318241189；QQ 群：175569632低电压数字系统电源设计技术在计算机和通信领域，为了降低系统功耗提高电源效率，系统工作电压越来越低；另外，随着信息技术和微电子工艺技术的高速发展，器件的特征尺寸越来越小，集成电路的电源电压也越来越低。低电压器件的成本更低，性能更优，所以各大半导体公司都将 33V 、2.5V 等低电压集成电路作为推广重点，如高端的 DSP、PLDFPGA 产品已广泛采用 3.3V、25V 甚至 18V、1 5V 供电。因此，低电压数字系统的电源设计，是电子工程师面临的严峻挑战。 1 采用低压差线性稳压器(LDO)低压差线性稳
2、压器的突出优点是具有最低的成本、最低的噪声和最低的静态电流。它的外围器件也很少，通常只有一两个旁路电容。与传统的线性稳压器相比，它的最大优点是输入输出压差很低。如 78xx 系列都要求输入电压要比输出电压高 23V 以上，否则不能正常工作。可是5V 到 33V 的电压差只有 1.7V，所以 78xx 系列已经不能够满足 33V 或 2.5V 的电源设计要求。面对这类需求，许多电源芯片公司推出了Low Dropout Regulator，即低压差线性稳压器，简称 LDO。当系统中输入电压和输出电压接近时，LDO 是最好的选择，可达到很高的效率。这种电源芯片的压差只有 1.30.2V，可以实现 5
3、V 转 3.3V2.5V、3.3V 转 2.5V1.8V 等要求。生产 LDO 的公司很多，常见的有：Maxim、Linear(LT)、Nationa1 Semiconductor、TI 等。采用 MAX8515 作为稳压器，利用一个外部 NPN 晶体管和几只阻容元件可以方便地构成低成本、小尺寸的低压差线性稳压器(LDO)，如图1 所示。该电路输入电压范围为 1.2-2.5V，输出电压为 IV。MAX8515的电源电压不同，R1 的阻值就不同。输出电流可达 2A。 改变分压电阻 R2、R3 可以调节输出电压。可参考式(1)选择 R2 和 R3 的值。 为保证能提供足够的负载电流，可参考式(2)
4、选择电阻 R1。 出于便携式电子产品布局布线的限制、对噪声敏感的应用及数码相机模块需要特殊电压等原因，分立的 LDO 仍在市场上顽强生存。LDO 的发展方向，首先是高效率，其次是不可避免地朝多功能集成方向发展，甚至被集成到 PMU 中。如 AATI 推出的 AAT3223，集成了 PowerOK功能，可监测 LDO 输出电压，能在输出低于压范围时报警；同时还提供了省电引脚，引脚电压降抵时可使 LDO 进入关闭模式，从而延长电池寿命。又如安森美推出的以 PWM 和 LDO 双模式工作的 NCPl 501，在轻载下可由 PWM 模式转为 LDO 模式工作，1.8V 下的效率为 90以上。 2 采用
5、电感开关型 DCDC 转换器电感开关型 DCDC 转换器又称为开关型稳压器，包括升压、降压、升降压和反相等几种结构，具有高效率、高输出电流、低静态电流等特点。随着集成度的提高，许多新型 DC-DC 转换器的外围电路仅需电感和滤波电容，但该类电源控制器的输出纹波和开关噪声较大、成本相对较高。近几年随着半导体技术的发展，表面贴装的电感、电容以及高集成度的电源控制芯片的成本也不断降低，体积越来越小。低导通电阻的场效应管省去了外部大功率场效应管，例如对于 3V 的输入电压，利用片内沟道场效应管可以获得 5V2A 输出。对于中小功率的应用可以使用小型低成本封装。另外，高达 lMHz 的开关频率能够降低成
6、本、减小外部电感电容的尺寸。某些新器件还增加许多新功能，如软启动、限流、PFM 或者 PWM 方式选择等。LTC3441 是一种大电流微功率同步降压一升压 DCDC 转换器。它通过对输出开关的正确调相使输入电压可以高于、低于或等于输出电压，并且这三种条件下操作模式的切换是连续的，所以该器件的输出电压总是能满足应用要求，是在单节锂离子电池应用中的理想选择。LTC3441 能在效率高达 95%的情况下提供最高 1A 的输出电流。LTC344l 的工作频率在出厂时被调到 1MHz。在该器件的 MODESYNC 引脚施加一个两倍于期望开关频率的外部时钟(2.3MHz3.4MHz)，振荡器可以与之同步，
7、同步频率范围是 1.15MHz1.7MHz。LTC3441 所进行的高频操作允许采用表面贴装的电感器。为了获得高效率，电感器最好采用高频磁芯材料以减小磁芯损耗由于 V1N 为电源输入引脚，应用时最好在该脚布置一个至少 4.7uF 的低 ESR 旁路电容器。LTC3441 的典型应用电路如图 2 所示。 3 采用电容电荷泵型 DCDC 转换器电容电荷泵型 DCDC 转换器常用于倍压或反压型 DCDC 转换。电荷泵电路采用电容作为储能和传递能量的中介。随着半导体工艺的进步，新型电荷泵电路的开关频率可达 1 MHz。电荷泵有倍压型和反压型两种基本电路形式。基本的电荷泵电路成本较低。它的最大优点是无需
8、电感，外围电路只需几个电容，体积较小，能够提供 95的效率，固定开关频率时产生较大的噪声和静态电流。另外，这种结构的输出电压只能是输入电压的倍数，利用四个内部开关和一个外部飞电容(flylng capacitor)能够获得输入电压的 2 倍、12 倍或一 l 倍输出，也可以使用多级结构获得其它倍数的电压，但成本和静态电流也会增加。所以，在传统的设计中，电荷泵结构很少与电池直接相连，而是用于产生系统的辅电源，为小电路模块或某一器件供电；但从目前的发展趋势看，新型的电荷泵输出电流越来越大，而便携式产品的功耗则越来越低，所以有些产品选用电荷泵做系统的主电源。为了克服电荷泵电路固有的缺陷，将电荷泵与
9、LDO 相结合，可以得到任意的输出电压，而且降低了输出噪声，但效率也相应有所下降，下降幅度与输入输出电压有关。新型电荷泵稳压器采用 PFM 或 PWM 方式，内部电路不需要 LDO。与电荷泵+LDO 结构相比，新型 PFM 方式的电荷泵具有低成本、低静态电流等特点，但输出噪声略有增加、两种电路的效率基本相同。如果改变倍乘因子可以改善转换效率。例如转换两节碱性电池到 5v，新电池时使用两倍压，而电池电压低于 2.5V 时使用 3 倍压。升降压应用中，开始时使用降压而后来使用两倍升压，可以改善效率。TPS6012x 和 TPS6013x 是美国德州仪器公司推出的一种升压稳压的电荷泵型 DCDC：转
10、换器，具有可调整的电压转换比例、更低的成本、更简单的设计以及更少的电磁干扰等特点。TPS6012x 可以接受两个碱性电池、镍镉电池或镍锰氢电池所提供的范围在 1 83.6V 之间的输入电压，产生 3 3(1O04)v 的输出电压以及 200mA 的最大输出电流。其转换效率可达 90，待命状态下所需的电流只有 60 A 。TPS6013x 可以接三个碱性电池、镍镉电池、镍锰氢电池或是一个锂离子电池所提供的范围在 2.75 4v 之间的输入电压，产生 5.0(10 04)V 的输出电压；而输出电流随元件型号不同有 150mA 和 300mA 两种。与其它直流电压转换器采用的电感器不同，它们使用电容
11、器来储存电荷，避免了电磁干扰带来的复杂问题。TPS6012x 和 TPS6013x 只需要 4 个低价的外部电容，降低了整体系统成本。它们还提供“脉冲跳跃”的省电工作模式及“逻辑关机”工作模式。后者可把供应电流降低到 O.05 A ，并且将电池与负载完全切断。TPS60130 的典型应用如图 3 所示。 LDO 稳压器为电流输出要求较低的应用提供了体积小且价廉的解决方案，而电感开关型 DC-Dc 转换器能保证高得多的电源转换效率，如果延长电池寿命是头等要求，则是合理的选择。电容电荷泵型 DcDc转换器的转换效率比相同档次的电感开关型 Dc-Dc 转换器要低，但是成本也低。在设计低电压数字系统的电源时，开发者要在系统整体方案的成本、体积、噪声和效率之间进行 l折衷。 总体而言，低电压、大电流、高效率、小尺寸、低成本是 DCDC转换器发展的趋势。从技术上看，零电流零电压开关、平面变压器原理、同步整流、超高开关频率、开放式结构等新型技术的应用，使得更高性能价格比的电源转换芯片不断出现。
