拥有线性稳压器特性的下一代DC/DC转换器

今天的手机不断向小型化和薄型化发展。这点毫不奇怪，技术尺寸方面的多数进展是一个关键问题，可以决定产品开发的命运。由于移动器件的尺寸不断变小，元件尺寸和元件数量也必须如此。随着每个元件周围的空间缩小，元件的布置变得更加重要。干扰与“低噪声安置”成为工程师工作的一部分。小于0.6mm的元件现已成为标准要求。但是，有一些限制因素正在制约这种尺寸缩小的趋势。第一个因素是手机每增加一个新特点，其功耗也要相应增加。最明显的例子是，10年前显示屏的功耗不到50mW，今天已上升到150mW-200mW，预计几年后将上升到3-500mW。此外，还有多媒体处理器、相机模块、电视调谐器等等，很容易看到为什么手机的功耗不断增加。不幸的是，电池技术跟不上这种需求的步伐。锂离子能量密度只增长了一倍，从100Whr/Kg左右上升到了 200Whr/kg左右，而手机功耗却增长了三倍。即使考虑到了密度方面的改善，今天普通电池的尺寸与前几年一样，甚至比前几年还大，而通话时间和待机时间却变短了。考虑到所有这些因素，容易看出电源管理在今天的移动产品中扮演着越来越重要的角色。

电源管理器件的类型

作为一个例子，让我们看看手机的心脏——基带处理器。手机中的基带处理器传统上利用低压降线性稳压器( LDO)供电。LDO的优点是在各种条件下的输出噪声偏差都很低，尺寸很小，容易使用，而且不会在电池上产生可能影响其它元件的反射噪声，外部元件较少。 LDO的缺点是其效率通常低于DC-DC转换器，而且效率随着芯片组电压要求的下降而下降，但电池电压保持不变。随着手机功能对于功率的需求不断增加，许多设计师正在采用DC-DC转换器来代替LDO，以提高效率和维持电池寿命。  

DC-DC转换器为设计师提供了一种可行的替代方案；它们在广泛的负载范围内具有高效率，LDO在这方面无法与之相比。但是，DC-DC转换器在其它所有方面几乎都逊于LDO，它的尺寸较大，较难使用，需要更多的外部元件，而且产生更多的噪声。最大的外部元件是电感。为了使DC-DC转换器有效地运行，该器件必须以较高的频率开关一个存储元件，通常是一个电感。这个功能必然产生噪声，并使稳压器的尺寸变大。这种“噪声”可以转移到它所供电的器件，也就是基带处理器，从而引起系统问题。它也可能沾染电池，进而导致噪声扩散到手机的每个部位。为了降低这种现象，手机设计师必须增加电容和电感等额外的过滤元件，以隔离和抑制噪声。这将扩大产品尺寸和提高复杂性。同时也需要对电路板的空间进行认真规划，以使敏感区域远离DC-DC转换器，并尽可能在与之隔绝。噪声并不是总可以预测的，而在设计大批量消费产品时，可预测性和对风险采取保守对策是极其重要的。  

图1所示为用于手机的LDO及传统的DC-DC转换器之间的差异。



理想的电源管理元件  

从效率角度来看，显然DC-DC转换器是电源管理的未来方向。挑战在于降低DC-DC转换器的尺寸，使之成为象LDO那样的小型、简单、低噪声和便宜器件。要求移动产品小型化的市场力量和需求，将迫使出现这种情况。  

为了搞清楚如何实现这个目标，让我们先看一下构成DC-DC转换器的器件。最大器件是电感。电感是一个开关存储元件，因此不仅尺寸大，而且会产生磁场，从而在电路板设计中引起噪声问题。显然，电感的面积和高度必须缩小，以接近理想的LDO类型的产品。我们再看看DC-DC转换器的功能，以及为什么电感的尺寸需要做得这么大。图2所示为一个非同步降压DC-DC转换器的基本运行。移动DC-DC转换器通常是天生同步的，用MOSFET代替二极管以提高效率。为了便于理解，利用一个非同步降压转换器来介绍运行情况。  

开关具有开关两种工作模式，每秒开关的次数就是开关频率。当开关关闭时，能量就被输送到输出负载并存储在电感里面。当开关打开时，存储在电感中的能量被传送到输出。开关的开与关之间的比率被称为负载循环，控制该比率就能控制输出电压。从图2可以看出，电感电流由两部分组成。第一个是DC输出电流，第二个是开关电感引起的电流德耳塔IL。德耳塔IL主要由E=Ldi/dt决定。此处的E是开关关闭时电感上的电压(输入电压减输出电压)，di是德耳塔 IL，dt与开关频率成反比。德耳塔IL实际上是个多余部分，它流过输出电容器、二极管并产生噪声，并在开关开通时为开关造成额外的损失。为一个给定的设计选择电感，完全是在德耳塔IL、噪声有损失之间进行平衡。但有一件事是明确的：对于给定的输入与输出电压，开关频率是决定电感值的主要因素。开关频率越高，即dt越低，则电感越小。  



不幸的是，提高开关频率会造成很大的负作用。主要是DC-DC转换器的效率会下降。这个理由很简单。开关利用一定的能量来开和关。这部分能量其实是一种损失，因此每秒开关次数越多，能量损失越大，总体效率就越低。控制这种“损失”是提高开关频率的关键。

今天流行的DC-DC转换器针对工作频率为1-3MHz的移动产品。在1Mhz的开关频率下，通常需要使用4.7uH的电感，频率为3-4MHz时电感可以降到1-1.5uH左右。图3所示为电感尺寸与移动产品开关频率的关系。可以看到，为了接近与LDO相当的尺寸，电感需要小于1uH。这样就可以把开关频率设定在6MHz以上。最先进的500mA 0.47uH 电感采用0805外壳尺寸，高度为0.55mm。



从图3可以看出，在开关频率为8MHz时，会令人想到把电感放置在IC封装之中。电感高度目前小于0.6mm。这方面存在一些挑战。