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便携产品电源芯片的应用技术

作者：上海崇芯微电子有限公司FAE经理颜重光

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便携产品的电源设计需要系统级思维，在开发手机、MP3、PDA、PMP、DSC等由电池供电的低功耗产品时，如果电源系统设计不合理，会影响到整个系统的架构、产品的特性组合、元件的选择、软件的设计以及功率分配架构等。同样，在系统设计中，也要从节省电池能量的角度出发多加考虑。例如，现在便携产品的处理器一般都设有几种不同的工作状态，通过一系列不同的节能模式(空闲、睡眠、深度睡眠等)可减少对电池容量的消耗。当用户的系统不需要最大处理能力时，处理器就会进入电源消耗较少的低功耗模式。

从便携式产品电源管理的发展趋势来看，需要考虑以下几个问题：1. 电源设计必须要从成本、性能和产品上市时间等整个系统设计来考虑；2. 便携产品日趋小巧轻薄化，必需考虑电源系统体积小、重量轻的问题；3. 选用电源管理芯片力求高集成度、高可靠性、低噪声、抗干扰、低功耗，突破散热瓶颈，延长电池寿命；4. 选用具有新技术的新型电源芯片进行方案设计，这是保证产品先进性的基本条件，也是便携产品电源管理的永恒追求。

便携产品常用电源管理芯片包括：低压差稳压器(LDO)、非常低压差稳压器(VLDO)、基于电感器储能的DC/DC转换器(降压电路Buck、升压电路Boost、降压-升压变换器Buck-Boost)、基于电容器储能的电荷泵、电池充电管理芯片、锂电池保护IC。

选用电源管理芯片时应注意：选用生产工艺成熟、品质优秀的生产厂家产品；选用工作频率高的芯片，以降低周边电路的应用成本；选用封装小的芯片，以满足便携产品对体积的要求；选用技术支持好的生产厂家，方便解决应用设计中的问题；选用产品资料齐全、样品和DEMO易于申请、能大量供货的芯片；选用性价比好的芯片。

LDO线性低压差稳压器

LDO线性低压差稳压器是最简单的线性稳压器，由于其本身存在DC无开关电压转换，所以它只能把输入电压降为更低的电压。它最大的缺点是在热量管理方面，因为其转换效率近似等于输出电压除以输入电压的值。

LDO电流主通道在其内部是由一个MOSFET加一个过流检测电阻组成，肖特基二极管作反相保护，输出端的分压电阻取出返馈电去控制MOSFET的流通电流大小，EN使能端可从外部去控制它的工作状态，内部还设置过流保护、过温保护、信号放大、POWER-OK、基准源等电路，实际上LDO已是一多电路集成的SoC。LDO的ESD>4KV，HBM ESD>8KV。

低压差稳压器的应用象三端稳压一样简单方便，一般在输入、输出端各加一个滤波电容器即可。电容器的材质对滤波效果有明显影响，一定要选用低ESR的X7R & X5R陶瓷电容器。

LDO布线设计要点是考虑如何降低PCB板上的噪音和纹波，如何走好线是一个技巧加经验的工艺性细活，也是设计产品成功的关键之一。图1说明了如何设计走线电路图，掌握好电流回流的节点，有效的控制和降低噪音和纹波。优化布线方案是值得参考的。

图1：LDO布线电路方案

如果一个驱动图像处理器的LDO输入电源是从单节锂电池标称的3.6V，在电流为200mA时输出1.8V电压，那么转换效率仅为50%，因此在手机中产生一些发热点，并缩短了电池工作时间。虽然就较大的输入与输出电压差而言，确实存在这些缺点，但是当电压差较小时，情况就不同了。例如，如果电压从1.5V降至1.2V，效率就变成了80%。

当采用1.5V主电源并需要降压至1.2V为DSP内核供电时，开关稳压器就没有明显的优势了。实际上，开关稳压器不能用来将1.5V电压降至1.2V，因为无法完全提升MOSFET(无论是在片内还是在片外)。LDO稳压器也无法完成这个任务，因为其压差通常高于300mV。

理想的解决方案是采用一个VLDO稳压器，输入电压范围接近1V，其压差低于300mV，内部基准接近0.5V。这样的VLDO稳压器可以很容易地将电压从1.5V降至1.2V，转换效率为80%。因为在这一电压上的功率级通常为100mA左右，那么30mW的功率损耗是可以接受的。VLDO的输出纹波可低于1mVP-P。将VLDO作为一个降压型开关稳压器的后稳压器就可容易地确保低纹波。

开关式DC/DC升降压稳压器

开关式DC/DC升降压稳压器按其功能分成Buck开关式DC/DC降压稳压器、Boost开关式DC/DC升压稳压器和根据锂电池的电压从4.2V降低到2.5V能自动切换降升压功能的Buck-Boost开关式DC/DC升降压稳压器。当输入与输出的电压差较高时，开关稳压器避开了所有线性稳压器的效率问题。它通过使用低电阻开关和磁存储单元实现了高达96%的效率，因此极大地降低了转换过程中的功率损失。

图2给出了Buck开关式DC/DC应用线路设计，需要注图中粗线的部分：粗线是大电流的通道；选用MuRata、Tayo-Yuden、TDK&AVX品质优良、低ESR的X7R & X5R陶瓷电容器；在应用环境温度高，或低供电电压和高占空比条件下(如降压)工作，要考虑器件的降温和散热。必须注意：SW vs. L1距离<4mm；Cout vs. L1距离<4mm；SW、Vin、Vout、GND的线必须粗短。

图2：Buck开关式DC/DC应用线路设计

要得到一个运作稳定和低噪音的高频开关稳压器，需要小心安排PCB板的布局结构，所有的器件必需靠近DC/DC，可以把PCB板按功能分成几块，如图3所示。1. 保持通路在Vin、Vout之间，Cin、Cout接地很短，以降低噪音和干扰；2. R1、R2和CF的反馈成份必须保持靠近VFB反馈脚，以防噪音；3. 大面积地直接联接2脚和Cin、Cout的负端。

DC/DC应用举例：1. APS1006为MCU/DSP核(Core)供电；2. APS1006应用于电子矿灯(图3)；3. APS1046应用于0.8-1.8"微硬盘供电(图4)；4. APS1006、APS4070应用于智能手机(图5)。

图3：APS1006应用于电子矿灯

图4：APS1046应用于0.8-1.8"微硬盘供电

图5：APS1006、APS4070在智能手机上的应用

电荷泵及其应用技巧

电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升，采用电容器来贮存能量。电荷泵是无须电感的，但需要外部电容器。工作于较高的频率，因此可使用小型陶瓷电容(1μF)，使空间占用最小，使用成本低。电荷泵仅用外部电容即可提供±2倍的输出电压。其损耗主要来自电容器的等效串联电阻(ESR)和内部开关晶体管的RDS(ON)。

电荷泵转换器不使用电感，因此其辐射EMI可以忽略。输入端噪声可用一只小型电容滤除。它输出电压是工厂生产时精密予置的,调整能力是通过后端片上线性调整器实现的，因此电荷泵在设计时可按需要增加电荷泵的开关级数，以便为后端调整器提供足够的活动空间。电荷泵十分适用于便携式应用产品的设计。从电容式电荷泵内部结构来看，它实际上是一个片上系统。

电荷泵是一种无幅射的有效升压器件，它不使用电感器而使用电容器作为储能器件。在设计应用时需要注意电容器的容量和材质对输出纹波的影响。外部电容器的容量关系到输出纹波，在固定的工作频率下，太小的电容容量，将使输出纹波增大。输出纹波大小与电容器材料介质有关，外部电容器的材料类型关系到输出纹波。同一电荷泵，使用相同的容量和尺寸而不同材料类型的电容器，输出纹波的结果。在工作频率固定，电容器容量相同的情况下，优良的材料介质，将有效地降低纹波。选用低ESR的X7R & X5R陶瓷电容器是一种比较好的选择。

LCD Module(LCM)是目前CP、MP3/MP4、PMP需求量较大的产品，在有限的PCB面积上，需要按装LCD屏、数码相机的镜头和闪光灯、音频DAC等器件，因此它需要封装很小的多芯片组合的电源模块(MCM)，以减小电源IC所占PCB的面积，而手机产品又要求这些电源IC对RF几乎无干扰。

电池充电管理芯片和锂电池保护IC

锂电池充电IC是一个片上系统(SoC)，它由读取使能微控制器、2倍涓流充电控制器、电流环误差放大器、电压环误差放大器、电压比较器、温度感测比较器、环路选择和多工驱动器、充电状态逻辑控制器、状态发生器、多工器、LED信号发生器、MOSFET、基准电压、电源开机复位、欠电压锁定、过流/短路保护等十多个不同功能的IC整合在一个晶元上。它是一个高度集成、智能化芯片。锂电智能充电过程：涓流充-->恒流充-->恒压充-->电压检测，因此电路设计的关键是要做到：充分保护、充分充电、自动监测、自动控制。

图6：锂电池保护电路

锂电池保护电路是封装在锂电池包内的，它由一颗锂电池保护IC和二颗MOSFET组成。在图6中，OD代表过放电控制；OC代表过充电控制；P+、P-接充电器；B+、B-接锂电池。锂电池保护电路简单工作原理如下：正常装态M1、M2均导通；过充电时M2 OC脚由高电位转至低电位，电闸关闭，截止充电，实现过充电保护；充电电流方向P+-->P-；过放电时M1 OD脚由高电位转至低电位，电闸关闭，截止充放电，实现过放电保护；放电电流方向P- -->P+。

锂电池保护电路的PCB板是很小的，设计时必须注意：1. MOSFET尽可能接近B-、P-；2. ESD防护电容器尽可能接近P+、P-；3. 相邻线间距>0.25mm，通过电流大的线要放宽，地线加宽。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2/3/2006)


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