| 近年來,DC/DC開關(guān)調(diào)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(guān)頻率成為業(yè)界共同追求的目標(biāo),但是工程師們卻擔(dān)心這會(huì)導(dǎo)致效率的大幅度降低。近期業(yè)界推出了第一顆頻率高達(dá)8MHz的擁有低壓差線性調(diào)整器(LDO)輕負(fù)載模式的降壓調(diào)整器。與工作頻率為1MHz的調(diào)整器相比,該解決方案的電感器體積縮小了超過90%,同時(shí)卻保持出色的總體轉(zhuǎn)換效率。 DC/DC開關(guān)調(diào)整器是在兩個(gè)直流電壓之間進(jìn)行轉(zhuǎn)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(guān)調(diào)整器能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為一個(gè)穩(wěn)定的1.8V電壓,為微處理器供電。同時(shí)保證高于90%的轉(zhuǎn)換效率。這非常重要,尤其是在電池供電的電路中。 線性調(diào)整器同開關(guān)調(diào)整器一樣能夠降低和調(diào)節(jié)輸入電壓的大小,只是效率較低。線性調(diào)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(diào)整器后,產(chǎn)生1.8V的輸出電壓,則該線性調(diào)整器的轉(zhuǎn)換效率僅為43%。盡管線性調(diào)整器的效率較低,但是現(xiàn)在的手機(jī)仍在各處使用10~25個(gè)這些效率較低的線性調(diào)整器來實(shí)現(xiàn)DC/DC轉(zhuǎn)換。這是由于線性調(diào)整器與開關(guān)調(diào)整器不同,它們不需要通常體積較大的電感器來實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換(見圖1)。 一直以來,開關(guān)調(diào)整器的工作頻率范圍為20kHz到數(shù)MHz。開關(guān)調(diào)整器電感的體積與其工作頻率成反比。一個(gè)工作頻率為500kHz的降壓調(diào)整器通常情況下使用的是10uH范圍的電感器;1MHz的降壓調(diào)整器通常使用4.7uH的電感器;而2MHz的降壓調(diào)整器通常使用的是2.2uH的電感器。一個(gè)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(gè)邊長(zhǎng)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(guān)調(diào)整器IC的封裝大小(如3x3x0.85mm)與500mA的線性調(diào)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(yīng)用中對(duì)越來越小的電感的需求,領(lǐng)先的模擬IC供應(yīng)商提供了頻率更高的降壓調(diào)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(guān)頻率介于3-4MHz之間時(shí),電感值能夠降低到1uH,因此電感體積也會(huì)相應(yīng)地縮小到3x3x1.2mm左右。截至目前為止,想要找到一個(gè)電感值為1uH并且高度遠(yuǎn)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(gè)8MHz的降壓調(diào)整器,打破了電感值1uH的最低值記錄。該解決方案的特點(diǎn)在于擁有一個(gè)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(diào)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(guān)調(diào)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(guān)調(diào)整器被認(rèn)為是不可達(dá)到的,因?yàn)殡娫丛O(shè)計(jì)師們擔(dān)心隨著頻率的提高,效率也會(huì)相應(yīng)降低。開關(guān)調(diào)整器的效率損失由傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗組成。傳導(dǎo)損耗受提供的電流及功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管阻抗影響,其不受頻率影響;開關(guān)損耗包括柵極驅(qū)動(dòng)和體二極管傳導(dǎo)造成的損耗,電源每開關(guān)一次就會(huì)消耗固定數(shù)量的電能。因此,每秒鐘內(nèi)電源開關(guān)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(diào)節(jié)輸出電壓的DC/DC開關(guān)調(diào)整器和線性調(diào)整器的典型電路  圖2：隨開關(guān)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(diào)整器的性能受到隨頻率影響的開關(guān)損耗的影響,Micrel公司通過使用一個(gè)高速的BiCMOS專利技術(shù)解決了效率問題。該技術(shù)在頻率更高的狀態(tài)下仍能使電源開關(guān)次數(shù)減少。圖3是2MHz降壓調(diào)整器(MIC2205)和8MHz降壓調(diào)整器(MIC2285)的效率比較。這兩種產(chǎn)品擁有同樣的內(nèi)核設(shè)計(jì),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(huì)導(dǎo)致效率的大幅度降低。  圖3：2MHz和8MHz調(diào)整器在有負(fù)載時(shí)的效率差別 噪聲性能和輕負(fù)載效率 在固定的高頻率工作的主要優(yōu)勢(shì)在于其頻率很容易被過濾,因?yàn)闉V波器元件變得非常小。此外,在蜂窩網(wǎng)絡(luò)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(jī)處于待機(jī)模式時(shí)通常具有低負(fù)載的電流,而開關(guān)損耗卻導(dǎo)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(fù)載模式,通過使用一個(gè)稱為L(zhǎng)OWQ的引腳就可以切換到這種模式。圖4為MIC2285的一個(gè)概念方框圖。  圖4：MIC2285的概念內(nèi)部方框圖 LDO與DC/DC變換器并聯(lián)在一起,通過一個(gè)邏輯電平信號(hào)觸發(fā)LOWQ引腳,LDO就能夠提供能量輸出。 在便攜應(yīng)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(shì)在于其工作時(shí)噪聲很小。基帶處理器及DSP對(duì)輸出電壓有嚴(yán)格的要求。當(dāng)處理器從休眠模式被喚醒并進(jìn)入全功率模式時(shí),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(guān)調(diào)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(diào)整器采用的是輕負(fù)載脈沖頻率調(diào)制(PFM)方案。當(dāng)其達(dá)到良好的輕負(fù)載效率時(shí),瞬態(tài)響應(yīng)就會(huì)出現(xiàn)問題,并且在整個(gè)頻率范圍之內(nèi)都會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)知的噪聲。這不但加大了設(shè)計(jì)成本,同時(shí)也導(dǎo)致解決方案體積增大很多。 圖5為與具有PFM模式輕負(fù)載方案的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)降壓調(diào)整器的對(duì)比。  圖5 如圖5所示,在負(fù)載小于1mA的情況下,業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)部件提供的輕負(fù)載模式具有超過150mV的噪聲。當(dāng)負(fù)載電流約為30mA時(shí),該器件會(huì)轉(zhuǎn)變成PFM模式,同樣會(huì)制造出很大的噪聲。而且在PFM模式轉(zhuǎn)為PWM模式的過程中,會(huì)產(chǎn)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(huì)加大成本投入,同時(shí)導(dǎo)致設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品體積增大。相反地,MIC2285卻能夠在負(fù)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(jié) 手機(jī)正在持續(xù)演進(jìn),體形變得越來越輕薄和小巧,同時(shí)功能在不斷加強(qiáng)。這使得用效率高、體積小的DC/DC開關(guān)調(diào)整器解決方案取代低效率的線性調(diào)整器變得越來越重要。Micrel公司的突破性的8MHz開關(guān)調(diào)整器能夠使電感體積縮小90%以上,同時(shí)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(chǎn)品的生命力。 |
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