便携产品电源芯片的应用技术

便携产品电源系统设计要求

便携产品电源设计需要系统级思维，在开发由电池供电的设备时，诸如手机、MP3、PDA、PMP、DSC等低功耗产品，如果电源系统设计不合理，则会影响到整个系统的架构、产品的特性组合、元件的选择、软件的设计和功率分配架构等。同样，在系统设计中，也要从节省电池能量的角度出发多加考虑。例如现在便携产品的处理器，一般都设有几个不同的工作状态，通过一系列不同的节能模式（空闲、睡眠、深度睡眠等）可减少对电池容量的消耗。即当用户的系统不需要最大处理能力时，处理器就会进入电源消耗较少的低功耗模式。
从便携式产品电源管理的发展趋势来看，需要考虑这样几个问题：

1）电源设计必须要从成本、性能和产品上市时间等整个系统设计来考虑；

2）便携产品日趋小巧薄型化，必需考虑电源系统体积小、重量轻的问题；

3）选用电源管理芯片力求高集成度、高可靠性、低噪声、抗干扰、低功耗、突破散热瓶颈，延长电池寿命；

4）选用具有新技术的新产品电源芯片，将新的电源芯片应用于新的设计方案中去，是保证新产品先进性的基本条件，也是便携产品电源管理的永恒追求。

便携产品常用电源管理芯片

• 低压差稳压器（LDO Linear Regulators ）

LDO

VLDO；

• 基于电感器储能的DC/DC Converters (Inductor Based Switching Regulators)

Buck

Boost

Buck-Boost；

• 基于电容器储能的Charge Pumps (Switched Capacitor Regulators); ；

• 电池充电管理 Battery Chargers;

• 锂电池保护 Lithium Battery Protection;

电源管理芯片选用思考

• 选用生产工艺成熟、品质优秀的生产厂家产品；

• 选用工作频率高的芯片，以降低成本周边电路的应用成本；

• 选用封装小的芯片，以满足便携产品对体积的要求；

• 选用技术支持好的生产厂家，方便解决应用设计中的问题；

• 选用产品资料齐全、样品和DEMO申请用易、能大量供货的芯片；

• 选用产品性能/价格比好的芯片；

LDO线性低压差稳压器

LDO线性低压差稳压器是最简单的线性稳压器，由于其本身存在DC无开关电压转换，所以它只能把输入电压降为更低的电压。它最大的缺点是在热量管理方面，因为其转换效率近似等于输出电压除以输入电压的值。例如，如果一个驱动图像处理器的LDO输入电源是从单节锂电池标称的3.6V，在电流为200mA时输出1.8V电压，那么转换效率仅为50%，因此在手机中产生了一些发热点，并缩短了电池工作时间。虽然就较大的输入与输出电压差而言，确实存在这些缺点，但是当电压差较小时，情况就不同了。例如，如果电压从1.5V降至1.2V，效率就变成了80%。

当采用1.5V主电源并需要降压至1.2V为DSP内核供电时，开关稳压器就没有明显的优势了。实际上，开关稳压器不能用来将1.5V电压降至1.2V，因为无法完全提升MOSFET(无论是在片内还是在片外)。标准低压差(LDO)稳压器也无法完成这个任务，因为其压差通常高于300mV。理想的解决方案是采用一个非常低压差(VLDO)稳压器，输入电压范围接近1V，其压差低于300mV，内部基准接近0.5V。这样的VLDO稳压器可以很容易地将电压从1.5V降至1.2V，转换效率为80%。因为在这一电压上的功率级通常为100mA左右，那么30mW的功率损耗是可以接受的。VLDO的输出纹波可低于1mVP-P。将VLDO作为一个降压型开关稳压器的后稳压器就可容易地确保低纹波。

开关式DC/DC升降压稳压器

• 当输入与输出的电压差较高时，开关稳压器避开了所有线性稳压器的效率问题。它通过使用低电阻开关和磁存储单元实现了高达96%的效率，因此极大地降低了转换过程中的功率损失。

• 选用开关频率高的DC/DC可以极大地缩小外部电感器和电容器的尺寸和容量，如超过2MHz的高开关频率。

• 开关稳压器的缺点较小，通常可以用好的设计技术来克服。但是电感器的频率外泄干扰较难避免，设计应用时对其EMI辐射需要考虑。

• 开关式DC/DC升降压稳压器按其功能分成Buck开关式DC/DC降压稳压器、Boost开关式DC/DC升压稳压器和根据锂电池的电压从4.2V降低到2.5V能自动切换降升压功能的Buck-Boost开关式DC/DC升降压稳压器。

电荷泵（Charge Pump）

电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升，采用电容器来贮存能量。电荷泵是无须电感的，但需要外部电容器。工作于较高的频率，因此可使用小型陶瓷电容(1μF)，使空间占用最小，使用成本低。电荷泵仅用外部电容即可提供±2倍的输出电压。其损耗主要来自电容器的ESR(等效串联电阻)和内部开关晶体管的RDS（ON）。电荷泵转换器不使用电感，因此其辐射EMI可以忽略。输入端噪声可用一只小型电容滤除。它输出电压是工厂生产时精密予置的,调整能力是通过后端片上线性调整器实现的，因此电荷泵在设计时可按需要增加电荷泵的开关级数，以便为后端调整器提供足够的活动空间。电荷泵十分适用于便携式应用产品的设计。从电容式电荷泵内部结构来看,它实际上是一个片上系统。

线性稳压器与开关稳压器的比较

线性稳压器与开关稳压器的比较可从下表清楚看到。

LDO的内部结构

从图1中可以看到，LDO电流主通道在其内部是有一个MOSFET加一个过流检测电阻组成，肖特基二极管作反相保护，输出端的分压电阻取出返馈电去控制MOSFET的流通电流大小，EN使能端可从外部去控制它的工作状态，内部还设置过流保护、过温保护、信号放大、POWER-OK、基准源等电路，实际上LDO已是一多电路集成的SOC。LDO的ESD4KV，HBM ESD8KV。图2可见它的应用实例。

图1LDO的内部结构