電池驅(qū)動設(shè)計(jì)中的新型穩(wěn)壓器

電源電路通常在臨近研發(fā)階段結(jié)束時才進(jìn)行贓,然而對便攜式產(chǎn)品,電池卻是頭等重要的大事。要想穩(wěn)定電池供電電源的電壓,實(shí)踐要比說說復(fù)雜得多,特別是在單系統(tǒng)設(shè)計(jì)中電壓的類型和數(shù)量增加時。穩(wěn)壓IC技術(shù)的最新進(jìn)展為設(shè)計(jì)者提供控制輸出電壓更有效的途徑,并為多電壓系統(tǒng)提供更充足的功率。

1999年,全球穩(wěn)壓器與電壓基準(zhǔn)業(yè)務(wù)達(dá)到23億美元的規(guī)模,占模擬產(chǎn)品總銷售額的11%,器件總數(shù)據(jù)的22%。據(jù)半導(dǎo)體行業(yè)分析公司Mclean Report預(yù)測,2001年的總銷售額將激增至35億美元。

穩(wěn)壓器是電源設(shè)計(jì)中的基本組件。線性穩(wěn)壓器簡單易用,電磁干擾（EMI）低,輸出紋流低、負(fù)載與線路穩(wěn)定性好,對負(fù)載與線路的變化響應(yīng)也快;然而與開關(guān)穩(wěn)壓器相比,效率較低,若使用散熱器,占用的空間較大。開關(guān)穩(wěn)壓器降低了對源功率的要求,無需散熱器。這種器件功率密度高,能產(chǎn)生各種小于,甚至大于輸入的單路或多路輸出電壓,當(dāng)然與線性穩(wěn)壓器相比,易產(chǎn)生EMI,具有較高的輸出紋波,對負(fù)載或線路變化響應(yīng)慢。

無論是線性穩(wěn)壓器還是開穩(wěn)壓器,本質(zhì)上都是模擬的。盡管開關(guān)穩(wěn)壓器有一些數(shù)字電路,實(shí)際上只不過是脈寬調(diào)制的模擬電路。在多數(shù)場合,兩者都以單芯片形式提供。在內(nèi)置微處理器、DSP或FPGA的便攜式設(shè)計(jì)中,芯核電壓不斷地在降低,且一般與I/O供電是分離的。因此,設(shè)計(jì)者開始寄厚望于備有雙輸出電壓的電源管理器件。Texas Instruments的雙電壓穩(wěn)壓器TPS56300就是一個很好的例證。它在單芯片上設(shè)置了供芯核使用的開關(guān)穩(wěn)壓器,供I/O使用的低壓降（LDO）線性穩(wěn)壓器。這似乎反映了器件發(fā)展的未來趨勢。

線性穩(wěn)壓電源

線性穩(wěn)壓器采用FET去除外加輸入電壓的多余部分來提供精確的輸出電壓。FET可視為輸入電壓與輸出電壓之間的一個可變電阻。這類電路的一個固有缺陷就是輸入與輸出間存在一定的電壓降。為了使穩(wěn)壓器的輸出電壓保持在正常值的范圍內(nèi)（低于100mv）,應(yīng)盡量降低這個壓差。正輸出LDO穩(wěn)壓器通常用PNP型晶體管作調(diào)整管,使穩(wěn)壓器具有極低的壓降,一般為200mv;相反,負(fù)輸出LDO的調(diào)整管則采用NPN型晶體管。

National Semiconductor正在開發(fā)新型模擬產(chǎn)品來滿足移動電話類便攜式產(chǎn)品不斷提出的多電壓,小占用面積的要求。對此,公司相關(guān)人員解釋道：“移動電話正日益‘消費(fèi)品化’。MP3播放機(jī)、FM收音機(jī)、免提功能,幾乎能想象到的功能都增添到它的內(nèi)部了。其結(jié)果必須是在小型封裝擠入更多的器件。”公司解決小占用面積的途徑是采用微型SMD封裝,即裸裝型封裝。這類器件不是將芯片放置在常規(guī)的SOT-23-5L一類塑料封裝內(nèi),而是將焊球直接安置在芯片上。這意味著芯片的尺寸就是實(shí)際封裝的尺寸。

NS的LP3985新型CMOS LOD穩(wěn)壓器是一個5焊球、1mm2的微SMD封裝器件。由于采用了LDO技術(shù),穩(wěn)壓器在低輸出等效串聯(lián)電阻（ESR）條件下保持穩(wěn)定性是十分重要的。現(xiàn)在更多地使用陶瓷電容。LP3985使用小型陶瓷片瓷電容。LP3985使用小型陶瓷片隙來節(jié)省印制板空間。NS在為移動電話客戶制作的ASIC中已采用LP3985,作為ASIC LDO塊之一。ASIC內(nèi)部一般有5～8個LDO。LDO向數(shù)字電話內(nèi)部的信號處理元件提供功率。這類產(chǎn)品也發(fā)展為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,也可作為一種集成化ASIC。

在便攜設(shè)計(jì)中,延長電池壽命至關(guān)重要。電源產(chǎn)品內(nèi)置“休眠”方式來關(guān)閉部分電路。此外,在RF應(yīng)用中,穩(wěn)壓器產(chǎn)生的噪聲也是一個問題。盡管線性穩(wěn)壓器的噪聲比開關(guān)穩(wěn)壓器低,但是仍產(chǎn)生不希望有的噪聲。

由于LD標(biāo)準(zhǔn)線性穩(wěn)壓器更能充分利用輸入電壓,在電池放電階段能工作更長時間,因而非常適合電池供電的應(yīng)用。LDO也減少了提供穩(wěn)定輸出電壓所需的電池?cái)?shù)量。考慮到電池供電的便攜式產(chǎn)品的增長必然導(dǎo)致對LDO需求的增加,Vishay Inter technology、International Rectifier等公司采用收購的策略在生產(chǎn)線上應(yīng)用LDO技術(shù)。International Rectifier最收購了Omneril;而Siliconix已成為Vishay的一部分。

去年夏天,Siliconix發(fā)布了新型LDO穩(wěn)壓器,即Vishay Siliconix Si9182DH。對功率變換設(shè)計(jì),在輸入端與輸出端可使用2.2μF陶瓷電容或鉭電容。Si9182DH改進(jìn)了公司原先IC的性能。在其最大連續(xù)輸出電流250mA下,壓降僅為180mV。低壓降延長了電池的壽命。一般的線路與負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)小于2ms,允許它與快速的DSP和微控制器一起使用。在輸入電壓2～6V范圍內(nèi),Si9182DH與單個或多個電池兼容,用于移動電話、發(fā)信機(jī)、網(wǎng)絡(luò)電話、PDA、筆記本電腦及便攜式儀器中。

同在去年夏天,Semtech在產(chǎn)品系列中增加了幾款電池工作系統(tǒng)的新型LDO。SC1454具有兩上獨(dú)立啟用、超低壓降穩(wěn)壓器（ULDO）。一個穩(wěn)壓順的輸出固定;另一個可以是固定的,也可以用外部電阻來調(diào)整。它的特點(diǎn)鮮明：靜態(tài)電流低、輸出噪聲低、多種輸出電壓、輸入反極性保護(hù)。另一款新型器件是SC1456,它將兩個150mA、低噪聲ULDO集成在一個芯片內(nèi),供關(guān)注點(diǎn)用空間的便攜式設(shè)計(jì)應(yīng)用。其它特性包括2.5～6V輸入電壓范圍,輸出噪聲低、陶瓷電容穩(wěn)定工作。可供選擇的標(biāo)準(zhǔn)電壓為3.3V、3V、2.8V和2.5V。最新產(chǎn)品是SC1563,其特點(diǎn)是靜態(tài)電流低,封裝尺寸小,有斷路引線,使用陶瓷電容或鉭電容。可選電壓為3.3V、3.1V、3V、2.8V、2.5V和1.8V,也可用外部調(diào)整輸出。

開關(guān)穩(wěn)壓器

供應(yīng)商在開關(guān)穩(wěn)壓器中設(shè)置了過流保護(hù)與過壓保護(hù)。傳統(tǒng)上,設(shè)計(jì)人員需另設(shè)分立電路來穩(wěn)定電壓。另一個趨勢是加強(qiáng)對開關(guān)頻率的控制。由于帶RF接口的便攜式設(shè)備對開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的噪聲十分敏感,因此要對輸出電壓開關(guān)頻率和紋波頻率加以控制。

為了產(chǎn)生輸出電壓,開關(guān)穩(wěn)壓器采用開關(guān)電路與電容、電感儲能相結(jié)合的輸出級。輸出電壓依靠對輸出電壓反饋采樣調(diào)整開關(guān)定時來穩(wěn)壓。在固定頻率穩(wěn)壓器中,開關(guān)定時通過開關(guān)電壓的脈寬調(diào)制進(jìn)行控制。在脈沖式穩(wěn)壓器中,開關(guān)脈沖的寬度與頻率保持恒定,反饋控制輸出開關(guān)導(dǎo)通或截止進(jìn)行調(diào)整。

與線性穩(wěn)壓器不同,開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓既能小于輸入電壓,又能大于輸入電壓;此外,一個穩(wěn)壓器還能產(chǎn)生多個輸出電壓。不論是等壓的、降壓的,還是升壓的,開關(guān)穩(wěn)壓器的源功率變換效率都比線性穩(wěn)壓器高。

目前,一個明顯趨勢是工作電壓在不斷下降。回顧5或10年前,電子系統(tǒng)都是按5V設(shè)計(jì)的,與0.5μm、CMOS工藝技術(shù)相適應(yīng)。隨著電壓的降低,新型微處理器過渡至0.35μm工藝,形成一種3.3V新電壓標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)DSP、微控制器和ASIC躍上0.25μm的臺階,另一種2.5V標(biāo)準(zhǔn)工作電壓出現(xiàn)了。當(dāng)前,處理器的幾何特征尺寸進(jìn)一步縮小至0.2～0.18μm,因此才有工作在1.8V,甚至0.9V的系統(tǒng)。除了電壓下降的趨勢,在典型的現(xiàn)除了電壓下降的趨勢,在典型的現(xiàn)代電子系統(tǒng)中,多個電壓（5、3.3、3、2.5、2、1.8、1.5與0.9V）同時并存的現(xiàn)象也十分普遍。并非所有OEM制造商以相同速度向前推進(jìn),故導(dǎo)致電子系統(tǒng)需要多種電壓的局面。例如,用戶仍在使用5V供電的老式處理器,同時又使用在1.8V工作的存儲器或在2.5V工作的ASIC。

ON Semiconductor為用戶推出新款開關(guān)穩(wěn)壓器MC33680（圖1）。這是一種雙通道dc/dc變換器,一路輸出電壓為2.5V,是為微處理器度身定做的;另一路輸出電壓最大可調(diào)整至25V,兩路電壓共處在同一功能塊中,當(dāng)然采取了防串?dāng)_設(shè)計(jì)。

Analog Devices的相關(guān)人員也注意到筆記本電腦市場類似的趨勢：“在這個特殊的領(lǐng)域,用戶要求電腦完成更多的功能。人們希望一機(jī)多用,如手表兼作隨身聽,甚至DVD播放機(jī)。因此,在這個市場中,所需的電壓數(shù)量激增。在過去,僅需產(chǎn)生5V或3.3V,或許還有12V供PCMCIA卡使用。由于新的需求,電壓將隨最終產(chǎn)品而增加,或隨功能要求而增加。”生產(chǎn)廠將CPU用穩(wěn)壓器作為主要目標(biāo),也更密切關(guān)注Intel新開的稱為IMVP（Intel移動電壓定位）技術(shù)。Intel在其Pentium處理器周圍放置了很多電容器來解決瞬態(tài)問題。理論上,IMVP可讓你僅使用半數(shù)輸出濾波電容。很多公司的新產(chǎn)品都已考慮了這種電壓定位技術(shù)。

為了對多電壓要求作出反應(yīng),AD最近推出雙開關(guān)穩(wěn)壓器ADP3020（圖2）。與德州儀器的TPS 56300類似,ADP3020器件內(nèi)既有LDO,也有開關(guān)穩(wěn)壓器。雙dc/dc變換器是為筆記本電腦除CPU芯核外全部系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)的。雙同步反擊開關(guān)控制器ADP3020對電池或電源適配器輸入的變換系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。它不采用電流方式控制器而采用電壓方式控制,從而省掉檢測電阻。它工作于200K,300K或400K頻率,且能和高達(dá)600KHz外時鐘同步。

Anadigics為與Palm VⅡ一起使用而設(shè)計(jì)出dc/dc變換,Palm VⅡ是一個配有無線無線的電子設(shè)備。IC采用GaAs MESFET工藝,高頻工作,具有一個位于音頻外的振蕩器,以減少器件的總尺寸。器件安裝在SOT-25封裝內(nèi),占用面積不到3mm2。主要特性是99%的開路效率,在2.5mA負(fù)載下效率為88%。

穩(wěn)壓器供應(yīng)商總是試圖將盡可能多的常用功能集成在一起。例如在一部移動電話中,穩(wěn)壓器可多達(dá)十余種。DSP一個、RF部分一個、微控制一個、內(nèi)存一個,用戶識別卡一個、等等。制造廠所能做的就是將所有這些穩(wěn)壓器制作在一塊大型功率管理控制器內(nèi)。

更佳的電源選擇方案

設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)地考慮便攜式設(shè)計(jì)中穩(wěn)壓器類型的折衷方案。在復(fù)雜多電壓系統(tǒng)中,新型雙穩(wěn)壓技術(shù)不失為一個實(shí)際的選擇。在這兩類穩(wěn)壓器中,半導(dǎo)體供應(yīng)商正在不斷提供大量的改進(jìn)的積木塊產(chǎn)品、更有效的IC解決方案。對電源設(shè)計(jì)人員來說,總是希望節(jié)省更多的電路板空間,擺在供應(yīng)商面前的最大挑戰(zhàn)是尋求最終解決全部問題的一套完整的工具。