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低电压数字系统电源设计技术解析-(新闻)

2022-06-23 来源:焦作农业机械网

在计算机和通信领域,为了降低系统功耗提高电源效率,系统工作电压越来越低;另外,随着信息技术和微电子工艺技术的高速发展,器件的特征尺寸越来越小,集成电路的电源电压也越来越低。低电压器件的成本更低,性能更优,所以各大半导体公司都将3.3v、2.5v等低电压集成电路作为推广重点,如高端的dsp、pld/fpga产品已广泛采用3.3v、2.5v甚至1.8v、1 5v供电。因此,低电压数字系统的电源设计,是电子工程师面临的严峻挑战。

1 采用低压差线性稳压器(ldo)

低压差线性稳压器的突出优点是具有最低的成本、最低的噪声和最低的静态电流。它的外围器件也很少,通常只有一两个旁路电容。与传统的线性稳压器相比,它的最大优点是输入输出压差很低。如78xx系列都要求输入电压要比输出电压高2~3v以上,否则不能正常工作。可是5v到3.3v的电压差只有1.7v,所以78xx系列已经不能够满足3.3v或2.5v的电源设计要求。面对这类需求,许多电源芯片公司推出了low dropout regulator,即低压差线性稳压器,简称ldo。当系统中输入电压和输出电压接近时,ldo是最好的选择,可达到很高的效率。这种电源芯片的压差只有1.3~0.2v,可以实现5v转3.3v/2.5v、3.3v转2.5v/1.8v等要求。生产ldo的公司很多,常见的有:maxim、linear(lt)、nationa1 semiconductor、ti等。

采用max8515作为稳压器,利用一个外部npn晶体管和几只阻容元件可以方便地构成低成本、小尺寸的低压差线性稳压器(ldo),如图1所示。该电路输入电压范围为1..5v,输出电压为iv。max8515的电源电压不同,r1的阻值就不同。输出电流可达2a。

改变分压电阻r2、r3可以调节输出电压。可参考式(1)选择r2和r3的值。

出于便携式电子产品布局布线的限制、对噪声敏感的应用及数码相机模块需要特殊电压等原因,分立的ldo仍在市场上顽强生存。ldo的发展方向,首先是高效率,其次是不可避免地朝多功能集成方向发展,甚至被集成到pmu中。如aati推出的aat3223,集成了powerok功能,可监测ldo输出电压,能在输出低于压范围时报警;同时还提供了省电引脚,引脚电压降抵时可使ldo进入关闭模式,从而延长电池寿命。又如安森美推出的以pwm和ldo双模式工作的ncpl 501,在轻载下可由pwm模式转为ldo模式工作,1.8v下的效率为90%以上。

2 采用电感开关型dc/dc转换器

电感开关型dc/dc转换器又称为开关型稳压器,包括升压、降压、升/降压和反相等几种结构,具有高效率、高输出电流、低静态电流等特点。随着集成度的提高,许多新型dc-dc转换器的外围电路仅需电感和滤波电容,但该类电源控制器的输出纹波和开关噪声较大、成本相对较高。

近几年随着半导体技术的发展,表面贴装的电感、电容以及高集成度的电源控制芯片的成本也不断降低,体积越来越小。低导通电阻的场效应管省去了外部大功率场效应管,例如对于3v的输入电压,利用片内沟道场效应管可以获得5v/2a输出。对于中小功率的应用可以使用小型低成本封装。另外,高达lmhz的开关频率能够降低成本、减小外部电感/电容的尺寸。某些新器件还增加许多新功能,如软启动、限流、pfm或者pwm方式选择等。

ltc3441是一种大电流微功率同步降压一升压dc/dc转换器。它通过对输出开关的正确调相使输入电压可以.高于、低于或等于输出电压,并且这三种条件下操作模式的切换是连续的,所以该器件的输出电压总是能满足应用要求,是在单节锂离子电池应用中的理想选择。ltc3441能在效率高达95%的情况下提供最高1a的输出电流。ltc344l的工作频率在出厂时被调到1mhz。在该器件的mode/sync引脚施加一个两倍于期望开关频率的外部时钟(2.3mhz~3.4mhz),振荡器可以与之同步,同步频率范围是1.15mhz~1.7mhz。ltc3441所进行的高频操作允许采用表面贴装的电感器。为了获得高效率,电感器最好采用高频磁芯材料以减小磁芯损耗由于v1n为电源输入引脚,应用时最好在该脚布置一个至少4.7uf的低esr旁路电容器。ltc3441的典型应用电路如图2所示。

3 采用电容电荷泵型dcdc转换器

电容电荷泵型dcdc转换器常用于倍压或反压型dcdc转换。电荷泵电路采用电容作为储能和传递能量的中介。随着半导体工艺的进步,新型电荷泵电路的开关频率可达1 mhz。电荷泵有倍压型和反压型两种基本电路形式。

基本的电荷泵电路成本较低。它的最大优点是无需电感,外围电路只需几个电容,体积较小,能够提供95%的效率,固定开关频率时产生较大的噪声和静态电流。另外,这种结构的输出电压只能是输入电压的倍数,利用四个内部开关和一个外部飞电容(flylng capacitor)能够获得输入电压的2倍、1/2倍或一l倍输出,也可以使用多级结构获得其它倍数的电压,但成本和静态电流也会增加。所以,在传统的设计中,电荷泵结构很少与电池直接相连,而是用于产生系统的辅电源,为小电路模块或某一器件供电;但从目前的发展趋势看,新型的电荷泵输出电流越来越大,而便携式产品的功耗则越来越低,所以有些产品选用电荷泵做系统的主电源。

为了克服电荷泵电路固有的缺陷,将电荷泵与ldo相结合,可以得到任意的输出电压,而且降低了输出噪声,但效率也相应有所下降,下降幅度与输入输出电压有关。新型电荷泵稳压器采用pfm或pwm方式,内部电路不需要ldo。与电荷泵+ldo结构相比,新型pfm方式的电荷泵具有低成本、低静态电流等特点,但输出噪声略有增加、两种电路的效率基本相同。如果改变倍乘因子可以改善转换效率。例如转换两节碱性电池到5v,新电池时使用两倍压,而电池电压低于2.5v时使用3倍压。升降压应用中,开始时使用降压而后来使用两倍升压,可以改善效率。

tps6012x和tps6013x是美国德州仪器公司推出的一种升压稳压的电荷泵型dcdc:转换器,具有可调整的电压转换比例、更低的成本、更简单的设计以及更少的电磁干扰等特点。tps6012x可以接受两个碱性电池、镍镉电池或镍锰氢电池所提供的范围在1 8~3.6v之间的输入电压,产生3 3(1o.04)v的输出电压以及200ma的最大输出电流。其转换效率可达90%,待命状态下所需的电流只有60 a。tps6013x可以接三个碱性电池、镍镉电池、镍锰氢电池或是一个锂离子电池所提供的范围在2.7~5 4v之间的输入电压,产生5.0(10 04)v的输出电压;而输出电流随元件型号不同有150ma和300ma两种。与其它直流电压转换器采用的电感器不同,它们使用电容器来储存电荷,避免了电磁干扰带来的复杂问题。tps6012x和tps6013x只需要4个低价的外部电容,降低了整体系统成本。它们还提供脉冲跳跃的省电工作模式及逻辑关机工作模式。后者可把供应电流降低到o.05 a,并且将电池与负载完全切断。[page]

tps60130的典型应用如图3所示。

ldo稳压器为电流输出要求较低的应用提供了体积小且价廉的解决方案,而电感开关型dc-dc转换器能保证高得多的电源转换效率,如果延长电池寿命是头等要求,则是合理的选择。电容电荷泵型dcdc转换器的转换效率比相同档次的电感开关型dc-dc转换器要低,但是成本也低。在设计低电压数字系统的电源时,开发者要在系统整体方案的成本、体积、噪声和效率之间进行折衷。

总体而言,低电压、大电流、高效率、小尺寸、低成本是dcdc转换器发展的趋势。从技术上看,零电流零电压开关、平面变压器原理、同步整流、超高开关频率、开放式结构等新型技术的应用,使得更高性能价格比的电源转换芯片不断出现。

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