点评时下流行消费电子高功效降压转换器

2007-12-18 08:32:41来源: 电子工程专辑

电源效率常常是决定当今消费电子产品成败的驱动因素。由于功效决定了设备在两次充电之间的工作时间长度,因此在用户对产品质量的感知中起着非常重要的作用。

在便携式消费电子产品的功率预算中,高效率降压转换器起着其他IC不可比拟的作用。一般用来向内核微控制器、I/O和其他子系统供电的降压(或称Buck)转换器,可将平均3.6V的锂离子电源降低至大多数控制器和外围器件所要求的2.5V或1.1V。

由于电池的使用寿命对终端产品的市场成功起着重要作用,整个负载范围内的高效率已经成为当今降压转换器的一个日益重要的特征。在大多数MP3播放器、数码相机、GPS系统及其他便携式设备中,处理器为系统任务分配优先级、并优化功率资源的管理。内核处理器一般需要在完全运行、待机睡眠模式下工作。

虽然运行流式视频的系统微控制器可能需要满负载,但是在睡眠模式下它可能只需要足够刷新内存的电压。由于一般的手持设备中的处理器通常在相当长的时间内都处于睡眠或者待机模式,因此整个负载范围内的高效率对于最大限度地延长电池使用寿命起着重要作用。

多个考虑因素

为了帮助实现这一目标,降压转换器制造商正在采用一系列方案,来最大限度地提高轻负载下设备的效率。例如,Micrel公司于8月份推出的2.5MHz双800mA同步降压型稳压器MIC2238,该器件采用专有的Trickle Mode开关架构,从而最大限度地提高了轻负载效率。该器件采用3×3mm微引线框架(MLF)封装,可在5mA下提供94%的效率,峰值效率高达96%。

设计工程师既可以在变频Trickle Mode下运行设备、从而获得最高轻负载效率并能自动转换至满负载,也可以采用恒频选项。

由于在很多应用中,内核系统处理器需要频繁地在各种工作模式间转换,所以设计师还必须仔细研究降压转换器的瞬态响应。了解如何使用转换器、以及设备在从一种负载状况转向另一种负载状况时的调制状态都至关重要。

例如,飞兆半导体公司最近推出了具有20mV快速瞬态响应的600mA DC/DC同步降压转换器FAN5350。该器件将这种性能与16mA的极低静态电流和低压纹波结合在一起,以便为各种应用中的DSP处理器、应用处理器和I/O处理器供电。该转换器采用1×1.37mm晶圆级芯片封装或者3×3mm的MLF封装。

此外,电源半导体制造商还竞相推出占位面积最小的最高性能转换器。


图1:飞兆半导体公司采用晶圆级芯片封装的FAN5350降压转换器在最大限度地缩小系统占位面积的同时还能提供高达94%的效率。

美信公司最近推出了采用SC70封装的500mA降压转换器MAX8640Y和MAX8640Z。这两个器件采用专有开关方案,从而最大限度地缩小了外部元器件的尺寸。此外,它们仅汲取24mA的静态电流。

TI公司在7月份推出了采用微型6引脚、2×2×0.8mm小外形无铅封装的降压转换器系列。系列中的TSP62240、TSP62260和TSP62290可分别提供300mA、600mA和1A的输出电流,同时保持高达95%的效率水平。TI的这些器件工作时的静态电流为15mA。

开关频率与占位面积的大小同等重要。一般情况下,降压转换器采用开关频率的脉宽调制(PWM)来控制内部功率MOSFET的输出。此时器件需要一个外部肖特基整流二极管以及一个外部电感和输出电容,以便产生经过调制的DC输出。转换器的开关频率决定外部电感和电容的物理尺寸。采用较高频率的转换器可以采用尺寸和参数值都较小的外部元器件。

例如,凌力尔特公司的LTC3560通过工作在相对较高的2.25MHz下可与陶瓷电容和电感器搭配使用,并且高度不到1mm。这个降压转换器采用6引脚ThinSOT封装,可提供800mA的电流。

同样,Advanced Analogic Technologies公司去年也推出了一系列降压转换器,最初推出的是采用紧凑型SC70JW封装、与小外形0603电感器搭配工作的AAT1149。这些转换器在高达3MHz的开关频率下工作。

Enpirion公司采用了一种完全不同的集成技术。该公司将降压转换器与电感器整合在一起,以减少元器件数和系统占位面积。EP53x2Q在单个5×4×1.1mm QFN封装中整合了一个PWM控制器、MOSFET开关、补偿网络和一个功率电感器。这个新的器件系列支持500mA、600mA和800mA的负载。据该制造商称,5MHz的开关频率最大限度地缩小了滤波器元件的尺寸,并且极大地改善了瞬态性能。


图2:Micrel公司的MIC2238降压转换器采用独特的Trickle Mode开关架构,最大限度地提高了轻负载效率。

微硬盘支持

在当今的便携式系统设计中,工程师越来越多地采用微硬盘。虽然硬盘制造商已经在功耗方面取得了巨大成就,但是微硬盘的功耗通常占便携式系统的功率预算的相当大部分。

但是,与内核处理器不同的是,硬盘通常只在两种工作状态下工作:开和关。这种工作模式通常要求电源能够尽可能高效率地满足硬盘的特定电压和电流要求。快速的瞬态响应也至关重要。由于启动硬盘需要负载在发动机开始转动时出现瞬间浪涌,因此设计工程师需要能够迅速反应以满足这种要求、且同时不会影响系统其余部分的转换器。

为了满足这些要求,设计工程师可以选择采用一个低压降的标准降压转换器、或者一个降压-升压型转换器。这两种方法都可以提供独特的优势。

标准降压转换器可以通过跟踪电池电压,来进入降压或100%工作周期状态,并提供极高的效率。它还可以与较小尺寸的外部元器件协同工作。降压-升压型转换器可以提供大于或小于输入电压的输出电压,且具体输出电压可以根据开关晶体管的工作周期进行调整。

虽然与传统降压转换器相比,降压-升压型转换器一般需要的外部元器件的尺寸稍大,所提供的效率也略低,但是通过升高电源电压,它可使系统电池在较低的工作电压下工作,从而延长了系统的运行时间。

美国国家半导体公司(NSC)的LM3668就是一个极好的例子。该器件针对在2.5~5.5V的锂离子电源下的运行进行了优化,可以提供降压和升压模式之间的无缝转换,在1A时支持2.8~3.3V的输出电压,并且效率高于90%。

由于当今的便携式系统往往会提供无线连接,电源半导体制造商正在越来越多地将用于内核处理器的高效率降压转换器与一个或更多个低压降稳压器整合在一起,从而为噪声敏感的RF功能供电。

针对UMTS、Edge、CMA200和宽带CDMA手机应用,Micrel公司的MIC2807将一个2MHz降压转换器与两个采用2.5×2.8 mm的MLF封装的LDO整合在一起。该降压转换器的输出电压可以通过一个外部D/A转换器进行调整,从而最大限度地延长蜂窝手机的通话时间。该转换器在PWM模式下可提供600mA的输出,在旁路模式则可提供高达1A的输出。两个LDO分别提供200mA和30mA的输出。

为了给便携式媒体播放器、MP3播放器和支持DMB或DVB-H移动电视的蜂窝手机中的应用处理器和相关的RF电路供电,安森美公司的NCP1526将一个可在1.2V下提供400mA的同步降压转换器与一个在2.8V下提供150mA电流的LDO集成在一起。该器件采用0.55mm超薄microDFN封装,最大限度地缩小了其占位面积和外形。

John H. Mayer是驻马萨诸塞州贝尔蒙特的自由撰稿人,他的联系邮箱是jhmayer@ix.netcom.com。

关键字:控制  睡眠  待机  负载

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