今天的手機(jī)不斷向小型化和薄型化發(fā)展,。這點(diǎn)毫不奇怪，技術(shù)尺寸方面的多數(shù)進(jìn)展是一個(gè)關(guān)鍵問題,，可以決定產(chǎn)品開發(fā)的命運(yùn),。由于移動(dòng)器件的尺寸不斷變小，元件尺寸和元件數(shù)量也必須如此,。隨著每個(gè)元件周圍的空間縮小,，元件的布置變得更加重要。干擾與“低噪聲安置”成為工程師工作的一部分,。小于0.6mm的元件現(xiàn)已成為標(biāo)準(zhǔn)要求,。但是，有一些限制因素正在制約這種尺寸縮小的趨勢,。第一個(gè)因素是手機(jī)每增加一個(gè)新特點(diǎn)，其功耗也要相應(yīng)增加,。最明顯的例子是,，10年前顯示屏的功耗不到50mW，今天已上升到150mW-200mW,，預(yù)計(jì)幾年后將上升到3-500mW,。此外,，還有多媒體處理器、相機(jī)模塊,、電視調(diào)諧器等等,，很容易看到為什么手機(jī)的功耗不斷增加。
不幸的是,，電池技術(shù)跟不上這種需求的步伐,。鋰離子能量密度只增長了一倍，從100Whr/Kg左右上升到了200Whr/kg左右,，而手機(jī)功耗卻增長了三倍,。即使考慮到了密度方面的改善，今天普通電池的尺寸與前幾年一樣,，甚至比前幾年還大,，而通話時(shí)間和待機(jī)時(shí)間卻變短了?？紤]到所有這些因素,，容易看出電源管理在今天的移動(dòng)產(chǎn)品中扮演著越來越重要的角色。
電源管理器件的類型
作為一個(gè)例子,，讓我們看看手機(jī)的心臟——基帶處理器,。手機(jī)中的基帶處理器傳統(tǒng)上利用LDO)" target="_blank">低壓降線性穩(wěn)壓器(LDO)供電。LDO的優(yōu)點(diǎn)是在各種條件下的輸出噪聲偏差都很低,，尺寸很小,，容易使用，而且不會(huì)在電池上產(chǎn)生可能影響其它元件的反射噪聲,，外部元件較少,。LDO的缺點(diǎn)是其效率通常低于DC/DC轉(zhuǎn)換器，而且效率隨著芯片組電壓要求的下降而下降,，但電池電壓保持不變,。隨著手機(jī)功能對于功率的需求不斷增加，許多設(shè)計(jì)師正在采用DC/DC轉(zhuǎn)換器來代替LDO,，以提高效率和維持電池壽命,。
DC/DC轉(zhuǎn)換器為設(shè)計(jì)師提供了一種可行的替代方案；它們在廣泛的負(fù)載范圍內(nèi)具有高效率,，LDO在這方面無法與之相比,。但是，DC/DC轉(zhuǎn)換器在其它所有方面幾乎都遜于LDO,，它的尺寸較大,，較難使用，需要更多的外部元件,，而且產(chǎn)生更多的噪聲,。最大的外部元件是電感,。為了使DC/DC轉(zhuǎn)換器有效地運(yùn)行，該器件必須以較高的頻率開關(guān)一個(gè)存儲(chǔ)元件,，通常是一個(gè)電感,。這個(gè)功能必然產(chǎn)生噪聲，并使穩(wěn)壓器的尺寸變大,。這種“噪聲”可以轉(zhuǎn)移到它所供電的器件,，也就是基帶處理器，從而引起系統(tǒng)問題,。它也可能沾染電池,，進(jìn)而導(dǎo)致噪聲擴(kuò)散到手機(jī)的每個(gè)部位。為了降低這種現(xiàn)象,，手機(jī)設(shè)計(jì)師必須增加電容和電感等額外的過濾元件,，以隔離和抑制噪聲。這將擴(kuò)大產(chǎn)品尺寸和提高復(fù)雜性,。同時(shí)也需要對電路板的空間進(jìn)行認(rèn)真規(guī)劃,，以使敏感區(qū)域遠(yuǎn)離DC/DC轉(zhuǎn)換器，并盡可能在與之隔絕,。噪聲并不是總可以預(yù)測的,，而在設(shè)計(jì)大批量消費(fèi)產(chǎn)品時(shí)，可預(yù)測性和對風(fēng)險(xiǎn)采取保守對策是極其重要的,。
圖1所示為用于手機(jī)的LDO及傳統(tǒng)的DC/DC轉(zhuǎn)換器之間的差異,。
圖1：用于手機(jī)的LDO及傳統(tǒng)的DC/DC轉(zhuǎn)換器之間的差異。
理想的電源管理元件
從效率角度來看,，顯然DC/DC轉(zhuǎn)換器是電源管理的未來方向,。挑戰(zhàn)在于降低DC/DC轉(zhuǎn)換器的尺寸，使之成為象LDO那樣的小型,、簡單,、低噪聲和便宜器件。要求移動(dòng)產(chǎn)品小型化的市場力量和需求,，將迫使出現(xiàn)這種情況,。
為了搞清楚如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，讓我們先看一下構(gòu)成DC/DC轉(zhuǎn)換器的器件,。最大器件是電感,。電感是一個(gè)開關(guān)存儲(chǔ)元件，因此不僅尺寸大,，而且會(huì)產(chǎn)生磁場,，從而在電路板設(shè)計(jì)中引起噪聲問題。顯然,，電感的面積和高度必須縮小,，以接近理想的LDO類型的產(chǎn)品。我們再看看DC/DC轉(zhuǎn)換器的功能,，以及為什么電感的尺寸需要做得這么大,。圖2所示為一個(gè)非同步降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的基本運(yùn)行。移動(dòng)DC/DC轉(zhuǎn)換器通常是天生同步的,，用MOSFET代替二極管以提高效率,。為了便于理解，利用一個(gè)非同步降壓轉(zhuǎn)換器來介紹運(yùn)行情況,。
開關(guān)具有開關(guān)兩種工作模式,，每秒開關(guān)的次數(shù)就是開關(guān)頻率。當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時(shí),，能量就被輸送到輸出負(fù)載并存儲(chǔ)在電感里面,。當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，存儲(chǔ)在電感中的能量被傳送到輸出,。開關(guān)的開與關(guān)之間的比率被稱為負(fù)載循環(huán),，控制該比率就能控制輸出電壓。從圖2可以看出,，電感電流由兩部分組成,。第一個(gè)是DC輸出電流，第二個(gè)是開關(guān)電感引起的電流德耳塔IL,。德耳塔IL主要由E=Ldi/dt決定,。此處的E是開關(guān)關(guān)閉時(shí)電感上的電壓(輸入電壓減輸出電壓)，di是德耳塔IL,，dt與開關(guān)頻率成反比,。德耳塔IL實(shí)際上是個(gè)多余部分，它流過輸出電容器,、二極管并產(chǎn)生噪聲,，并在開關(guān)開通時(shí)為開關(guān)造成額外的損失。為一個(gè)給定的設(shè)計(jì)選擇電感,，完全是在德耳塔IL,、噪聲有損失之間進(jìn)行平衡。但有一件事是明確的：對于給定的輸入與輸出電壓,，開關(guān)頻率是決定電感值的主要因素,。開關(guān)頻率越高，即dt越低,，則電感越小,。
不幸的是，提高開關(guān)頻率會(huì)造成很大的負(fù)作用,。主要是DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率會(huì)下降,。這個(gè)理由很簡單,。開關(guān)利用一定的能量來開和關(guān)。這部分能量其實(shí)是一種損失,，因此每秒開關(guān)次數(shù)越多,，能量損失越大，總體效率就越低,?？刂七@種“損失”是提高開關(guān)頻率的關(guān)鍵。
圖2：DC/DC轉(zhuǎn)換器運(yùn)行情況簡圖,。
今天流行的DC/DC轉(zhuǎn)換器針對工作頻率為1-3MHz的移動(dòng)產(chǎn)品,。在1Mhz的開關(guān)頻率下，通常需要使用4.7uH的電感,，頻率為3-4MHz時(shí)電感可以降到1-1.5uH左右,。圖3所示為電感尺寸與移動(dòng)產(chǎn)品開關(guān)頻率的關(guān)系?？梢钥吹?，為了接近與LDO相當(dāng)?shù)某叽纾姼行枰∮?uH,。這樣就可以把開關(guān)頻率設(shè)定在6MHz以上,。最先進(jìn)的500mA 0.47uH 電感采用0805外殼尺寸，高度為0.55mm,。
圖3：典型移動(dòng)DC/DC轉(zhuǎn)換器中的電感尺寸與開關(guān)頻率的關(guān)系,。
從圖3可以看出，在開關(guān)頻率為8MHz時(shí),，會(huì)令人想到把電感放置在IC封裝之中,。電感高度目前小于0.6mm。這方面存在一些挑戰(zhàn),。
高頻開關(guān)面臨的挑戰(zhàn)
我們前面講過,，與高頻開關(guān)有關(guān)的損耗會(huì)增加。圖4所示為采用2.2uH電感處于傳統(tǒng)的2MHz頻率下的DC/DC轉(zhuǎn)換器" target="_blank">DC/DC轉(zhuǎn)換器的損耗,，以及采用0.47uH電感頻率為8MHz時(shí)的損耗,。
可以明顯看出，在傳統(tǒng)的移動(dòng)DC/DC頻率2MHz,，開關(guān)引起的損耗僅占總體損耗的20%左右,。總體損耗約為200mA,，是移動(dòng)器件的典型輸出電流,。但在8MHz時(shí)，開關(guān)損耗會(huì)上升到40%以上。降低開關(guān)損耗是能夠在高頻開關(guān)的關(guān)鍵,，也是能夠集成到封裝之中的小型電感的前提,。
建議解決方案
Micrel公司推出了它的第一代“L Free”DC/DC轉(zhuǎn)換器，首款產(chǎn)品是MIC3385,。它的開關(guān)頻率是8MHz,，電感集成到3mm x 3mm MLF封裝之中,。在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到降低開關(guān)損耗,，從而使開關(guān)損耗上升導(dǎo)致的效率損失最小。圖6所示為MIC3385的簡化結(jié)構(gòu)圖,，圖7為實(shí)際尺寸,。
圖4：2MHz及8MHz開關(guān)頻率下DC/DC轉(zhuǎn)換器的損耗。
圖6：MIC3385 “L Free”DC/DC轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)簡圖,。
MIC3385的基本結(jié)構(gòu)是頻率恒定的PWM轉(zhuǎn)換器,，帶有一個(gè)并聯(lián)LDO。在輸出負(fù)載處于待機(jī)時(shí),，LDO充當(dāng)輕負(fù)載模式,。這種混合式設(shè)計(jì)提供了極其出色的噪聲性能，并使多能夠輕松地過渡到高頻,。
圖7：MIC3385在3mmx3mm MLF封裝中集成了“L-Free”DC/DC轉(zhuǎn)換器,。
如前所述，MIC3385經(jīng)過優(yōu)化,，可以在較高的頻率上開關(guān)而且電感值較低,。圖8顯示了結(jié)構(gòu)相同的2MHz轉(zhuǎn)換器與8MHz頻率的MIC3385的效率。從中可見,，在200mA電流上效率只下降4%,。這對于顯著降低設(shè)計(jì)的尺寸和復(fù)雜性來產(chǎn)，是可以接受的折衷,。
圖8：MIC3385與MIC2205的效率比較,。
對于高頻DC/DC轉(zhuǎn)換來說，除了降低開關(guān)損耗以外,，還有其它一些挑戰(zhàn),。最大的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)出具有足夠高的帶寬的控制回路，以使輸出電壓在快速瞬載下保持穩(wěn)定,，同時(shí)仍采用小型陶瓷輸出電容器,。MIC3385做了這點(diǎn)，它采用了一種獲得專利的方法——通過并聯(lián)LDO獲得所需的高帶寬,。MIC3385的DC/DC轉(zhuǎn)換器和LDO都提供全輸出電流,，以允許從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)實(shí)現(xiàn)幾乎無縫的轉(zhuǎn)變；具有最小的輸出電壓偏差。圖9所示為MIC3385在重負(fù)載瞬態(tài)條件下的輸出電壓偏差,，并與比較傳統(tǒng)的DC/DC方案進(jìn)行了比較,。重負(fù)載瞬態(tài)條件在移動(dòng)器件中是常見現(xiàn)象?？梢钥闯?MIC3385 8MHz架構(gòu)的表現(xiàn)大大優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),，從而為設(shè)計(jì)穩(wěn)定性創(chuàng)造了較大的空間。
圖9：5us之內(nèi)，從100uA到20mA然后到300mA的負(fù)載瞬變條件下,，MIC3385與傳統(tǒng)的移動(dòng)DC/DC轉(zhuǎn)換器的比較,。
噪聲方面的優(yōu)點(diǎn)
DC/DC轉(zhuǎn)換器的電感在運(yùn)行和開關(guān)時(shí)產(chǎn)生磁場。設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮電感的安置,，以避免引起干擾,。例如，把電感安置在敏感的音頻元件附近,，可能引起有害的干擾,。把它放置在功率放大器附近，則可能降低器件的靈敏度并導(dǎo)致兼容問題.電感越大,，這些問題越難以控制,。MIC3385的電感較小，安放位置盡可能接近DC/DC裸片,。這使高頻功率回路盡可能地短,，與具有外部電感的低頻DC/DC相比，降低了EMI噪聲,。這與直覺有點(diǎn)矛盾,，因?yàn)橐话阏J(rèn)為較高的頻率會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲。
本文小結(jié)
結(jié)果顯示,，第一代8MHz開關(guān)頻率的DC/DC轉(zhuǎn)換器是可行的,，提供了一種有益的解決方案，在移動(dòng)設(shè)計(jì)中受到歡迎,。該設(shè)計(jì)顯示出低噪聲,、快速瞬態(tài)響應(yīng)和高效率，所有這些優(yōu)點(diǎn)都使DC/DC轉(zhuǎn)換器更接近LDO解決方案,。
隨著移動(dòng)設(shè)備的功率和尺寸要求繼續(xù)加強(qiáng),，市場中將出現(xiàn)更多的集成器件。