拥有线性稳压器特性的下一代DC/DC转换器

高频开关面临的挑战

我们前面讲过，与高频开关有关的损耗会增加。图4所示为采用2.2uH电感处于传统的2MHz频率下的DC-DC转换器的损耗，以及采用0.47uH电感频率为8MHz时的损耗。



可以明显看出，在传统的移动DC-DC频率2MHz，开关引起的损耗仅占总体损耗的20%左右。总体损耗约为200mA，是移动器件的典型输出电流。但在 8MHz时，开关损耗会上升到40%以上。降低开关损耗是能够在高频开关的关键，也是能够集成到封装之中的小型电感的前提。  

建议解决方案  

Micrel公司推出了它的第一代“L Free”DC-DC转换器，首款产品是MIC3385。它的开关频率是8MHz，电感集成到3mm x 3mm MLF封装之中。在设计时考虑到降低开关损耗，从而使开关损耗上升导致的效率损失最小。图6所示为MIC3385的简化结构图，图7为实际尺寸。  



MIC3385的基本结构是频率恒定的PWM转换器，带有一个并联LDO。在输出负载处于待机时，LDO充当轻负载模式。这种混合式设计提供了极其出色的噪声性能，并使多能够轻松地过渡到高频。  

如前所述，MIC3385经过优化，可以在较高的频率上开关而且电感值较低。图8显示了结构相同的2MHz转换器与8MHz频率的MIC3385的效率。从中可见，在200mA电流上效率只下降4%。这对于显著降低设计的尺寸和复杂性来产，是可以接受的折衷。  



对于高频DC-DC转换来说，除了降低开关损耗以外，还有其它一些挑战。最大的挑战是设计出具有足够高的带宽的控制回路，以使输出电压在快速瞬载下保持稳定，同时仍采用小型陶瓷输出电容器。MIC3385做了这点，它采用了一种获得专利的方法——通过并联LDO获得所需的高带宽。MIC3385的DC- DC转换器和LDO都提供全输出电流，以允许从一种状态到另一种状态实现几乎无缝的转变；具有最小的输出电压偏差。图9所示为MIC3385在重负载瞬态条件下的输出电压偏差，并与比较传统的DC-DC方案进行了比较。重负载瞬态条件在移动器件中是常见现象。可以看出,MIC3385 8MHz架构的表现大大优于传统结构，从而为设计稳定性创造了较大的空间。  



噪声方面的优点  

DC-DC转换器的电感在运行和开关时产生磁场。设计时必须考虑电感的安置，以避免引起干扰。例如，把电感安置在敏感的音频元件附近，可能引起有害的干扰。把它放置在功率放大器附近，则可能降低器件的灵敏度并导致兼容问题.电感越大，这些问题越难以控制。MIC3385的电感较小，安放位置尽可能接近 DC-DC裸片。这使高频功率回路尽可能地短，与具有外部电感的低频DC-DC相比，降低了EMI噪声。这与直觉有点矛盾，因为一般认为较高的频率会产生较大的噪声。  

总结  

结果显示，第一代8MHz开关频率的DC-DC转换器是可行的，提供了一种有益的解决方案，在移动设计中受到欢迎。该设计显示出低噪声、快速瞬态响应和高效率，所有这些优点都使DC-DC转换器更接近LDO解决方案。随着移动设备的功率和尺寸要求继续加强，市场中将出现更多的集成器件。