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1、目录键入章标题(第 1 级) .1键入章标题(第 2 级) .2键入章标题(第 3 级) .3键入章标题(第 1 级) .4键入章标题(第 2 级) .5键入章标题(第 3 级) .61 绪论本章首先介绍当前国内外便携式设备电源管理技术的现状，然后提出设计多路电压输出 DC/DC 转换器的市场必要性，最后简要介绍 DC/DC 转换器的发展趋势及论文的内容安排。1.1 当前便携式设备电源管理技术的现状随着集成电路技术 1、电子技术和通信技术的飞速发展和不断创新，大量的便携式设备进入我们的生活，如手机、mp3、mp4、数码照相机、数码摄像机、笔记本电脑等等。功能先进的便携式设备大大的方便了我们的生
2、活，提高了我们的生活质量 2。便携式设备都依靠电池（包括化学电池、太阳能电池）提供能量，既要体积小，又要待机时间长是当前便携式设备设计中的一个突出矛盾。便携式设备的功能会越来越复杂（如高亮度 LCD 屏幕显示、和合炫音乐播放、摄像头、闪光灯等） ，如何有效利用电池存储的能量，即电源管理技术，成为当前便携式设备的关键。便携式设备的电源管理要在便携式设备系统方案设计时就要综合考虑节能、成本、体积和开发时间等多种因素，进行最佳折衷设计。总的来讲，要从提高电能的转换效率和提高电能的使用效率两方面着手进行便携式设备的整体电源管理。1.1.1 采用高转换效率芯片提高电能的转换效率随着对电源管理效率要求的不
3、断提高，便携式设备中的电源变换从以往的线性电源逐渐更换为开关式电源，但二者有各自的优势和劣势，适用于不同场合。a.线性电源 LDO(低压降稳压器)LDO 具有成本低、封装小、外围器件少和噪音小的特点，其成本也只有DC/DC 转换器的几分之一。LDO 的封装从 SOT23 到 SC70、QFN，直至 WCSP(晶圆级芯片封装) 1，非常适合在手持设备中使用。LDO 外围只需 2 到 3 个很小的电容即可构成整个电源管理方案。LDO 最大优势是其超低的输出电压噪声，TI 的 TPS793285 输出电压纹波小于 35Vrms，还有极高的信噪抑制比，非常适合用在对噪声敏感的 RF 和音频电路的供电，
4、而且在线性电源中没有电磁干扰(EMI)。LDO 的效率取决于输出电压与输入电压之比：=V out/Vin。在输入电压为3.6V(单节锂电池)的情况下，输出电压为 3V 时，效率为 90.9%，而在输出电压为 1.5V 时，效率则下降为 41.7%。在输出电流较大时 LDO 效率降低，不仅会浪费电能，而且芯片发热而影响系统的稳定性。b.开关式电源转换器开关式电源分为电感式开关电源和电容式开关电源。(1)电感式开关电源电感式开关电源是利用电感作为主要的储能元件，为负载提供持续不断的电流，通过不同的拓扑结构可以完成降压、升压和负压的功能。电感式开关电源具有非常高的转换效率，其工作时主要的电能损耗包括
5、：1）内置或外置 MOSFET 的导通损耗，主要与占空比和 MOSFET 的导通电阻有关；2）动态损耗，包括高侧和低侧 MOSFET 同时导通时的开关损耗和驱动MOSFET 开关电容的电能损耗，主要与输入电压和开关频率有关；3）静态损耗，主要与 IC 内部的漏电流有关。在负载电流较大时，上面的损耗都相对较小，故电感式开关电源可以达到96%的效率。但是在负载变小时，这些损耗就会相对变大而影响转换效率。电感式开关电源的缺点是电源方案的整体面积较大(主要是电感和电容)，输出电压的纹波较大，在 PCB 布板时必须格外小心以避免电磁干扰(EMI)。提高开关频率可以有效的减小电感和电容的体积及输出电压纹波
6、。TI 的 TPS62040的开关频率达 1.2MHz，当输出电流为 1.2A 时，外部电感只需 6.2H。(2)电容式开关电源电荷泵电荷泵是利用电容作为储能元件，内部的开关管阵列控制电容的充放电。为减少由于开关造成的 EMI 和纹波，很多设计采用双电荷泵的结构。电荷泵也可以完成升压、降压和负压的功能。当输出电压与输入电压成一定倍数关系如 2 倍或 1.5 倍时，最高的效率可达 90%以上。但效率会随着两者之间的比例关系而变化，也会低至 70%以下，应尽量利用电荷泵的最佳转换工作条件。由于储能电容的限制，其输出电压一般不超过输入电压的 3 倍，而输出电流不超过 300mA。电荷泵特性介于 LD
7、O 和电感式开关电源之间，具有较高的效率和相对简单的外围电路设计，EMI 和纹波居中，但有输出电压和输出电流的限制。1.1.2 提高电能的使用效率在便携式设备中电源管理的关键是减少电池能量的浪费、将尽量多的可用电能用于实际有效的处理上。a.信号处理系统信号处理系统(主要是信号处理器)是便携式设备的核心部分，它是便携式设备中主要的电能消耗源，采用两种方法减小其耗能。其一，分区管理，将处理某项任务时不需要的功能单元关掉，如在进行内部计算时，将与外部通信的接口关断或使其进入睡眠状态。便携式设备中信号处理器往往设计有很多个内部时钟，控制不同功能单元的工作状态。不同功能块供电的电源电路设计为可关断的。其
8、二，改变信号处理器的工作频率和工作电压，在 CMOS 电路中，最大的一项功率损耗是驱动 MOSFET 栅极所引起的损耗，其大小为Ploss= Cgf(Iout)Vin2 （1-1）其中，C g为栅极电容，f 为频率。功率损耗与频率及输入电压（即 IC 的电源电压）的平方成正比。针对不同的运算和任务，把频率和电源电压降低到合适的值，可以有效地减少功率损耗。TI 的 DVS(动态电压调整)技术有效地将处理器与电源转换器连接成闭环系统，通过 I2C 等总线动态地调节供电电压，同时调节自身的频率。TPS65010 集成了充电电路、电感式 DC/DC 和 LDO，同时还可以通过 I2C 总线对各路输出电
9、压进行调节，非常适合为处理器供电。b.音频功率放大音频功率放大器是便携式设备特别是手机、mp3、mp4 中的能量消耗大户。传统的技术采用 AB 类线性放大器，其效率随输出功率变化，最高只有 70%。使用 D 类功率放大器，利用 PWM 的方式，可使效率提高到 8590%，如 TPA2010D1输出 2W 的功率，效率可达 90%。c.马达、LCD、背光驱动在数码相机中镜头马达、LCD、背光驱动等设备也消耗很多能量，关键就是尽量节省该部分的耗电，采用电路休眠设置而减小其耗能。电源管理在便携设备中的作用日趋重要，一个高效的系统是要将电源管理的观念贯穿于设计的每一个环节，并且平衡系统多方面因素设计完
10、成的。随着半导体技术和电子技术的发展，越来越先进的节能技术不断涌现为手持产品的不断发展助力。1.2 多电压输出电源管理芯片的市场需求自 1958 年集成电路问世以来，半导体技术的发展可谓一日千里，电源管理技术也在集成化的道路上飞速前进。如今高性能的集成电源管理芯片在便携式设备内已被广泛采用，以得到高效的电源且缩小设备体积，并成为便携式设备的关键组成。便携式设备的广泛使用，促进集成电源管理芯片飞速发展，目前已发展到几百个品种，按工作方式分线性集成稳压器和开关式集成电压转换器；按电路的结构形式分单片式集成电压转换器和组合式集成电压转换器；按管脚的连接方式分三端式集成电压转换器和多端式集成电压转换器
11、；按制造工艺分半导体集成电压转换器、薄膜混合集成电压转换器和厚膜混合集成电压转换器。各种类型电源管理芯片应用在不同的场合中，为便携式设备保驾护航。市场需求是技术发展的原动力。电源管理芯片随着便携式设备的不断发展而不断完善提高性能。数码相机集合了各种电子元件（镜头马达、LCD 背光、闪光灯、DSP 等），则其电源管理就要包括 I/F 电源、镜头驱动马达电源、LCD电源、背光电源等（如图 1.1），如何优化电源设计关系到整机的低功耗、小尺寸和高可靠等关键特性。随着数码相机近年来逐渐成为主流消费电子产品后，消费者对数码相机功能的要求亦不断提升，例如高像素、短片拍摄功能、大LCD 显示屏、大容量存储和
12、小体积等。延长使用及待机时间成为数码相机设计面临的重要挑战，也是电源管理芯片的一个挑战和机遇。设计具有多路电压输出的单片集成电源管理芯片越来越有必要性，是电源管理芯片促进当前便携式设备发展的关键，也是电源管理芯片未来的主要发展方向。国际上许多半导体公司都抢先设计推出多路电压输出的集成转换器以抢占市场，获取巨大利润，例如瑞萨科技公司(Renesas Technology Corp)日前推出用于数码相机的 DC/DC 转换器 M62298FP。该转换器输入电压范围为 2.5 到6.0V，适用于采用 1 节锂离子电池工作的设备，集成了四个升压转换器通道和三个降压转换器通道，可以单芯片提供数码相机所需
13、的所有电源电压，且采用0.5m BiC-DMOS 工艺，可将以前的外部输出 MOSFET 集成到除了为 IC 本身提供 5.8V 升压电源电压的转换器之外的其余六个转换器通道，更有助于缩小数码相机的体积。综上所述，随着手机、数码相机、数码摄像机等便携式设备的功能越来越复杂，对电源管理芯片的要求越来越高。设计可以单片解决便携式设备多样化的电源管理功能的具有多路电压输出转换器集成芯片已成为今后电源管理类芯片的重要发展方向，本论文正是基于此类应用而开发具有双路电压输出的DC/DC 转换器。1.3 DC/DC 集成电路芯片的发展趋势集成 DC/DC 的设计技术及生产工艺在国内外均已成熟并标准化，其效率
14、达到 90%以上。为了满足不断发展的电子产品的需要，并且随着半导体工艺水平不断提高，集成 DC/DC 电压转换器呈现出以下趋势 2：1.3.1 提高效率主要采用如低漏失电压、低静态电流、低维持电压和同步整流等技术来减小芯片功耗而提高转换效率。1.3.2 减小体积减小体积有利于产品小型化和降低成本，通过调整管集成和采用高的工作频率而缩小电源管理芯片和外围器件的尺寸。1.3.3 多功能和多工作模式单片集成具有多路输出、多管理方案和多工作模式转换器。1.3.4 保护措施完善有过温保护、过流保护、电池反接保护、输出短路保护等。1.3.5 大电流输出1.4 论文的内容安排本论文具体章节安排为：第一章介绍了电源管理芯片的现状、发展趋势以及论文的主要工作和章节安排第二章论述 Buck 型 DC-DC 基本原理、控制模式及主要性能指标;第四章分析峰值电流
