电池驱动设计中的新型稳压器

电源电路通常在临近研发阶段结束时才进行赃,然而对便携式产品,电池却是头等重要的大事。要想稳定电池供电电源的电压,实践要比说说复杂得多,特别是在单系统设计中电压的类型和数量增加时。稳压IC技术的最新进展为设计者提供控制输出电压更有效的途径,并为多电压系统提供更充足的功率。

1999年,全球稳压器与电压基准业务达到23亿美元的规模,占模拟产品总销售额的11%,器件总数据的22%。据半导体行业分析公司Mclean Report预测,2001年的总销售额将激增至35亿美元。

稳压器是电源设计中的基本组件。线性稳压器简单易用,电磁干扰（EMI）低,输出纹流低、负载与线路稳定性好,对负载与线路的变化响应也快;然而与开关稳压器相比,效率较低,若使用散热器,占用的空间较大。开关稳压器降低了对源功率的要求,无需散热器。这种器件功率密度高,能产生各种小于,甚至大于输入的单路或多路输出电压,当然与线性稳压器相比,易产生EMI,具有较高的输出纹波,对负载或线路变化响应慢。

无论是线性稳压器还是开稳压器,本质上都是模拟的。尽管开关稳压器有一些数字电路,实际上只不过是脉宽调制的模拟电路。在多数场合,两者都以单芯片形式提供。在内置微处理器、DSP或FPGA的便携式设计中,芯核电压不断地在降低,且一般与I/O供电是分离的。因此,设计者开始寄厚望于备有双输出电压的电源管理器件。Texas Instruments的双电压稳压器TPS56300就是一个很好的例证。它在单芯片上设置了供芯核使用的开关稳压器,供I/O使用的低压降（LDO）线性稳压器。这似乎反映了器件发展的未来趋势。

线性稳压电源

线性稳压器采用FET去除外加输入电压的多余部分来提供精确的输出电压。FET可视为输入电压与输出电压之间的一个可变电阻。这类电路的一个固有缺陷就是输入与输出间存在一定的电压降。为了使稳压器的输出电压保持在正常值的范围内（低于100mv）,应尽量降低这个压差。正输出LDO稳压器通常用PNP型晶体管作调整管,使稳压器具有极低的压降,一般为200mv;相反,负输出LDO的调整管则采用NPN型晶体管。

NaTIonal Semiconductor正在开发新型模拟产品来满足移动电话类便携式产品不断提出的多电压,小占用面积的要求。对此,公司相关人员解释道：“移动电话正日益‘消费品化’。MP3播放机、FM收音机、免提功能,几乎能想象到的功能都增添到它的内部了。其结果必须是在小型封装挤入更多的器件。”公司解决小占用面积的途径是采用微型SMD封装,即裸装型封装。这类器件不是将芯片放置在常规的SOT-23-5L一类塑料封装内,而是将焊球直接安置在芯片上。这意味着芯片的尺寸就是实际封装的尺寸。

NS的LP3985新型CMOS LOD稳压器是一个5焊球、1mm2的微SMD封装器件。由于采用了LDO技术,稳压器在低输出等效串联电阻（ESR）条件下保持稳定性是十分重要的。现在更多地使用陶瓷电容。LP3985使用小型陶瓷片瓷电容。LP3985使用小型陶瓷片隙来节省印制板空间。NS在为移动电话客户制作的ASIC中已采用LP3985,作为ASIC LDO块之一。ASIC内部一般有5～8个LDO。LDO向数字电话内部的信号处理元件提供功率。这类产品也发展为标准产品,也可作为一种集成化ASIC。

在便携设计中,延长电池寿命至关重要。电源产品内置“休眠”方式来关闭部分电路。此外,在RF应用中,稳压器产生的噪声也是一个问题。尽管线性稳压器的噪声比开关稳压器低,但是仍产生不希望有的噪声。

由于LD标准线性稳压器更能充分利用输入电压,在电池放电阶段能工作更长时间,因而非常适合电池供电的应用。LDO也减少了提供稳定输出电压所需的电池数量。考虑到电池供电的便携式产品的增长必然导致对LDO需求的增加,Vishay Inter technology、InternaTIonal RecTIfier等公司采用收购的策略在生产线上应用LDO技术。InternaTIonal Rectifier最收购了Omneril;而Siliconix已成为Vishay的一部分。

去年夏天,Siliconix发布了新型LDO稳压器,即Vishay Siliconix Si9182DH。对功率变换设计,在输入端与输出端可使用2.2μF陶瓷电容或钽电容。Si9182DH改进了公司原先IC的性能。在其最大连续输出电流250mA下,压降仅为180mV。低压降延长了电池的寿命。一般的线路与负载瞬态响应小于2ms,允许它与快速的DSP和微控制器一起使用。在输入电压2～6V范围内,Si9182DH与单个或多个电池兼容,用于移动电话、发信机、网络电话、PDA、笔记本电脑及便携式仪器中。

同在去年夏天,Semtech在产品系列中增加了几款电池工作系统的新型LDO。SC1454具有两上独立启用、超低压降稳压器（ULDO）。一个稳压顺的输出固定;另一个可以是固定的,也可以用外部电阻来调整。它的特点鲜明：静态电流低、输出噪声低、多种输出电压、输入反极性保护。另一款新型器件是SC1456,它将两个150mA、低噪声ULDO集成在一个芯片内,供关注点用空间的便携式设计应用。其它特性包括2.5～6V输入电压范围,输出噪声低、陶瓷电容稳定工作。可供选择的标准电压为3.3V、3V、2.8V和2.5V。最新产品是SC1563,其特点是静态电流低,封装尺寸小,有断路引线,使用陶瓷电容或钽电容。可选电压为3.3V、3.1V、3V、2.8V、2.5V和1.8V,也可用外部调整输出。

开关稳压器

供应商在开关稳压器中设置了过流保护与过压保护。传统上,设计人员需另设分立电路来稳定电压。另一个趋势是加强对开关频率的控制。由于带RF接口的便携式设备对开关稳压器产生的噪声十分敏感,因此要对输出电压开关频率和纹波频率加以控制。

为了产生输出电压,开关稳压器采用开关电路与电容、电感储能相结合的输出级。输出电压依靠对输出电压反馈采样调整开关定时来稳压。在固定频率稳压器中,开关定时通过开关电压的脉宽调制进行控制。在脉冲式稳压器中,开关脉冲的宽度与频率保持恒定,反馈控制输出开关导通或截止进行调整。

与线性稳压器不同,开关稳压器的输出电压既能小于输入电压,又能大于输入电压;此外,一个稳压器还能产生多个输出电压。不论是等压的、降压的,还是升压的,开关稳压器的源功率变换效率都比线性稳压器高。

目前,一个明显趋势是工作电压在不断下降。回顾5或10年前,电子系统都是按5V设计的,与0.5μm、CMOS工艺技术相适应。随着电压的降低,新型微处理器过渡至0.35μm工艺,形成一种3.3V新电压标准。当DSP、微控制器和ASIC跃上0.25μm的台阶,另一种2.5V标准工作电压出现了。当前,处理器的几何特征尺寸进一步缩小至0.2～0.18μm,因此才有工作在1.8V,甚至0.9V的系统。除了电压下降的趋势,在典型的现除了电压下降的趋势,在典型的现代电子系统中,多个电压（5、3.3、3、2.5、2、1.8、1.5与0.9V）同时并存的现象也十分普遍。并非所有OEM制造商以相同速度向前推进,故导致电子系统需要多种电压的局面。例如,用户仍在使用5V供电的老式处理器,同时又使用在1.8V工作的存储器或在2.5V工作的ASIC。

ON Semiconductor为用户推出新款开关稳压器MC33680（图1）。这是一种双通道dc/dc变换器,一路输出电压为2.5V,是为微处理器度身定做的;另一路输出电压最大可调整至25V,两路电压共处在同一功能块中,当然采取了防串扰设计。

Analog Devices的相关人员也注意到笔记本电脑市场类似的趋势：“在这个特殊的领域,用户要求电脑完成更多的功能。人们希望一机多用,如手表兼作随身听,甚至DVD播放机。因此,在这个市场中,所需的电压数量激增。在过去,仅需产生5V或3.3V,或许还有12V供PCMCIA卡使用。由于新的需求,电压将随最终产品而增加,或随功能要求而增加。”生产厂将CPU用稳压器作为主要目标,也更密切关注Intel新开的称为IMVP（Intel移动电压定位）技术。Intel在其Pentium处理器周围放置了很多电容器来解决瞬态问题。理论上,IMVP可让你仅使用半数输出滤波电容。很多公司的新产品都已考虑了这种电压定位技术。

为了对多电压要求作出反应,AD最近推出双开关稳压器ADP3020（图2）。与德州仪器的TPS 56300类似,ADP3020器件内既有LDO,也有开关稳压器。双dc/dc变换器是为笔记本电脑除CPU芯核外全部系统电源设计的。双同步反击开关控制器ADP3020对电池或电源适配器输入的变换系统进行了优化。它不采用电流方式控制器而采用电压方式控制,从而省掉检测电阻。它工作于200K,300K或400K频率,且能和高达600KHz外时钟同步。

Anadigics为与Palm VⅡ一起使用而设计出dc/dc变换,Palm VⅡ是一个配有无线无线的电子设备。IC采用GaAs MESFET工艺,高频工作,具有一个位于音频外的振荡器,以减少器件的总尺寸。器件安装在SOT-25封装内,占用面积不到3mm2。主要特性是99%的开路效率,在2.5mA负载下效率为88%。

稳压器供应商总是试图将尽可能多的常用功能集成在一起。例如在一部移动电话中,稳压器可多达十余种。DSP一个、RF部分一个、微控制一个、内存一个,用户识别卡一个、等等。制造厂所能做的就是将所有这些稳压器制作在一块大型功率管理控制器内。

更佳的电源选择方案

设计人员必须仔细地考虑便携式设计中稳压器类型的折衷方案。在复杂多电压系统中,新型双稳压技术不失为一个实际的选择。在这两类稳压器中,半导体供应商正在不断提供大量的改进的积木块产品、更有效的IC解决方案。对电源设计人员来说,总是希望节省更多的电路板空间,摆在供应商面前的最大挑战是寻求最终解决全部问题的一套完整的工具。