便携产品电源芯片的应用技术Word文档格式.docx
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低压差稳压器(LDOLinearRegulators)
LDO
VLDO;
基于电感器储能的DC/DCConverters(InductorBasedSwitchingRegulators)
Buck
Boost
Buck-Boost;
基于电容器储能的ChargePumps(SwitchedCapacitorRegulators);
;
电池充电管理BatteryChargers;
锂电池保护LithiumBatteryProtection;
电源管理芯片选用思考
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,以降低成本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申请用易、能大量供货的芯片;
选用产品性能/价格比好的芯片;
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。
例如,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%,因此在手机中产生了一些发热点,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)。
标准低压差(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非常低压差(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
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。
选用开关频率高的DC/DC可以极大地缩小外部电感器和电容器的尺寸和容量,如超过2MHz的高开关频率。
开关稳压器的缺点较小,通常可以用好的设计技术来克服。
但是电感器的频率外泄干扰较难避免,设计应用时对其EMI辐射需要考虑。
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。
电荷泵(ChargePump)
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ESR(等效串联电阻)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。
线性稳压器与开关稳压器的比较
线性稳压器与开关稳压器的比较可从下表清楚看到。
LDO的内部结构
从图1中可以看到,LDO电流主通道在其内部是有一个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&
gt;
4KV,HBMESD&
8KV。
图2可见它的应用实例。
图1LDO的内部结构
低压差稳压器(LDOs)的应用
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&
amp;
X5R陶瓷电容器。
关于低压差稳压器(LDOs)制造工艺
LDO低压差稳压器串联使用,它不是一个开关,也不是传递一个比输出电压更高的电压;
一些LDO使用双极晶体管(Bipolar)工艺,从根本上来说,Bipolar和CMOS工艺二者在功能上没有区别,可是有一些内在的性能差别,成本不同;
LDO布线考虑:
降低噪音和纹波
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3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4说明了PCB板布线(Layout)的设计技巧,被推荐的布线方案解决了电流回流路径不良引出的噪音和纹波。
典型布线方案
优化布线方案
图3布线电路方案考虑
Buck开关式DC/DC降压稳压器内部结构
从图5的Buck开关式DC/DC降压稳压器内部拓扑结构来看,这是一种采用恒定频率、电流模式降压架构,内置主(P沟道MOSFET)和同步(N沟道MOSFET)开关。
PWM控制的振荡器频率决定了它的工作效率和使用成本。
DC/DC应用电路设计思考
图6Buck开关式DC/DC应用线路设计
图6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,要考虑器件的节温和散热。
图7给出了Buck开关式DC/DC应用PCB设计的实例,特别需要注意:
SWvsL1距离&
lt;
4mm
CoutvsL1距离&
SW、Vin、Vout、GND的线必须粗短。
PCB板设计要点
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的应用
1)APS1006应用于MCU/DSP核(Core)供电
2)DC/DC应用于0.8-1.8”微硬盘供电
4)APS1006、APS4070在智能手机上的应用
电荷泵应用技巧
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。
图12图例是说明同一电荷泵的电容器容量影响输出纹波。
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,图13图例是说明同一电荷泵,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。
LCM需要MCM电源模块
LCM(LCDModule)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、AudioDAC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。
图14说明了这种电源模块与LCM负载的关系。
锂电池充电IC内部架构
锂电池充电IC是一个片上系统(SOC),由图15可以看到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à
恒流充à
恒压充à
电压检测(图16),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。
锂电池保护IC
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,如图17所示。
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M2OC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+à
P-;
过放电时M1OD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-à
P+;
锂电池保护ICLayout技巧
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。
图18锂电池保护电路的PCB板图可供设计参考。
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