应用笔记 3603

Buck转换器在手持产品中的应用


摘要 : 便携式消费类电子产品集成了越来越多的新功能。随着用户对更小尺寸、更长电池寿命的期盼,系统设计人员面临着更大的挑战。每种新增功能都需要额外的空间和额外的功率,这样,留给电池的空间将会更小,需要在更小的空间内以更高的效率提供更大供电电流。本文就电源设计中的电流要求对不同类型的调节器进行比较,讨论它们在便携产品中的应用。

概述

新一代便携式消费类电子产品集成了越来越多的功能,很难对这些具体产品进行分类。功能的增多有助于提高销售量,但是,为了满足用户对更小尺寸、更长电池寿命的要求,设计人员面临着更大的挑战。每种新增功能都需要额外的空间和额外的功率,由于留给电池的空间极其有限,因此,需要在更小的空间内以更高的效率提供更大的供电电流。

对功率的更高要求改变了设计准则

近两年,大多数手持产品采用一路降压型(buck)转换器和多路低压差(LDO)线性稳压器方案,有些设计则只采用线性稳压器结构。这种方案能够提供良好的工作性能,由于大多数处理器采用3.0V或3.3V供电,在单节Li+电池供电时,LDO可提供适当的转换效率。但是,随着对处理器功耗的要求和IC工艺向更小的亚微米技术的发展,微处理器的核电压降至1.8V、1.5V、1.3V甚至0.9V。另外,典型的I/O电压也从3.3V降至2.5V或1.8V。电压的降低大大降低了LDO的效率,它所产生的热量抵消了低核电压和低I/O口电压带来的好处。因此,为了保持较高的效率,设计人员必须考虑选用buck转换器。

为了满足低电源电压的需求,许多系统内部采用多个处理器。例如,手机 + PDA组合就是个很好的例子,系统包含一个基带处理器和一个应用处理器,每个处理器都需要单独的供电电源。手机和PDA上使用的相机模块仍倾向于采用LDO供电,但相关的图形处理器通常要求更低的电源电压。因此,在多功能设计中,常常要用到多路buck电源。在一块PC板上安装三路buck电源已经很常见。

新型定制电源管理芯片(PMIC)集成了一路或多路buck转换器,但这些产品还常常不足以满足用户的要求。每增加一项新的功能,就有可能需要另外一路buck电源或需要提高buck电源的驱动能力。显而易见,只有那些能够采用分立电源IC在最短的时间内满足新的设计需求的制造商才能保持与市场需求的同步增长。

尺寸的挑战

就目前的设计水平而言,要想在系统中增加一个buck转换器不仅要增加成本,还要占用一定的电路板面积。三年前,典型的buck转换器采用MSOP封装,尺寸为15mm²,可工作在1MHz或更低的开关频率,需要较大尺寸的外部电感和钽电容。如图1b所示,现在的1MHz buck转换器采用TDFN封装,尺寸已降至9mm²,且外部可以使用陶瓷电容和小尺寸电感,但其尺寸还是远远大于LDO,如图1a所示。

先进的亚微米BiCMOS混合信号处理工艺是解决尺寸问题的关键技术,它能够进一步缩小电源IC的尺寸,提供其工作频率,能够选用更小尺寸的外部元件。许多IC制造商已经能够提供2MHz甚至更高频率的电源IC,同时也采用了更小的封装。如图1c所示,Maxim的4MHz buck转换器MAX8560的尺寸几乎与LDO一样小! 可采用更高的工作频率,因此,允许使用微型电感,如:Taiyo Yuden的CB2012系列,0805封装。

尽管1MHz和4MHz buck转换器的制造工艺均有所提高,4MHz buck转换器的效率要比1MHz buck转换器的效率低,如图2所示。因为较高的开关频率会产生较大的开关损耗,而微型电感也存在较大的磁芯损耗。值得庆幸的是,1MHz和4MHz的buck转换器效率差别不大,而且,它们的效率远远高于LDO的效率(41%)。

结论

从上述分析可以看出,系统电源设计有三种选择:a)小尺寸、b)高效率或c)小尺寸加高效率。需要在电池寿命和系统物理尺寸之间进行权衡。由于方案c中的高频buck转换器能够在不明显增大电路版尺寸的前提下大大提高电源的转换效率,因而理所当然地成为多功能、便携式消费类产品的优选方案。此外,考虑到buck转换器产生的热量低于LDO,因此,有可能以更小的尺寸取代LDO。

图1. 尽管效率不高,但LDO线性稳压器(a)仍是尺寸最小的解决方案。传统的1MHz buck转换器(b)可提供极高的效率,但尺寸太大。新型高速4MHz buck转换器(c)的尺寸接近LDO且效率接近1MHz buck转换器。
图1. 尽管效率不高,但LDO线性稳压器(a)仍是尺寸最小的解决方案。传统的1MHz buck转换器(b)可提供极高的效率,但尺寸太大。新型高速4MHz buck转换器(c)的尺寸接近LDO且效率接近1MHz buck转换器。

图2. 两种buck转换器的效率均远远高于LDO线性稳压器的效率。4MHz buck转换器以牺牲一点效率为代价换来的则是极小的尺寸。
图2. 两种buck转换器的效率均远远高于LDO线性稳压器的效率。4MHz buck转换器以牺牲一点效率为代价换来的则是极小的尺寸。

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