便携DCDC电源新技术促使效率与寿命兼得

　　我们都清楚的看到手持式装置核心处理器的供电电压日益降低，但要兼顾效率与电池寿命，却是另一项挑战。在降压转换过程中最常利用的是开关稳压器和LDO稳压器，但缺点在于尺寸太大，LDO如电压偏离值很大时，转换效率就骤降，开关电容稳压器为新兴技术，结合开关电容器和LDO优点，可整合至可携式应用中。通常开关电源的效率问题是目前大家比较关心的问题，那么怎么提升这个效率呢，且看下文。

　　设法降低核心处理器的供电电压是手持式装置的全新技术趋势之一，而在降压的同时，也必须兼顾以更高效率延长电池寿命的需求。目前这些装置里有多种新功能都有降压转换需求，如应用处理器、记忆体和射频(RF)设计等，从负载和空间参数两项考量来看，目前在此类应用上最流行的解决方案，即采开关稳压器和低压降 (LDO)稳压器。

　　如只从效率考量，开关稳压器是最佳的选择，然当电子零件高度和解决方案的尺寸限制超出电感器使用范围时，转换器就可能改采LDO或开关电容(SC)稳压器形式，电源解决方案通常无法提供较多电路板空间，但开关稳压器可提供比LDO和开关电容稳压器更大的解决方案尺寸。

　　我们利用DC/DC开关电容稳压器来提升电源的效率，那么开关电容器都有哪些优点呢？

　　开关电容器可保持给定负载效率

　　随着VIN的上升，由转换器产生的VIN和VOUT间的能量增加将引起功率耗损和效率下降。解决此问题所采取的模式为转变一个更高的效率增益，如同汽车替换档位一般。开关电容器类比设有一个类比增益控制和变化，以保持给定负载效率持续性，开关电容器具离散增益步骤，由VOUT/(增益×VIN)来给定效率，且这些效率取决于离散增益，一个LDO仅拥有一个增益及3者中最低的效率，开关电容器稳压器则有3个不同的电压增益，即2/3、1/2和1/3。

　　从SC稳压器随着VIN的增长可看出，电压增益变化从2/3～1/2及1/2～1/3，因此整个负载范围的效率达最大化，带来锂离子电池电压范围 3.4～3.8伏特上80%的功率，在相同应用中的LDO却仅达到50%效率，随电感器种类不同，典型的开关稳压器应具有88～90%效率。

　　传统上，稳压器乃依据有效数量进行比较，但由于锂离子电池特性，要根据时量效率或锂离子电池充分放电所需时间来判定，根据经验，运用200毫安培的负载电流，使用典型开关稳压器，可比使用开关电容稳压器持续时间多出6～8%，假设最大负载与微处理器中的情况一样，仅表现到时间的20～30%，则电感开关和开关电容稳压器间操作时间的差别可忽略。　　须在效率与成本之间取舍

　　开关电容稳压器的更多增益可能会增加少许效率，但却须要增加更多外部电容器和内部场效电晶体(FET)，促使成本上升，同时也增加解决方案尺寸。上述增益可透过两个外部电容器或快速电容器(CFLY)取得，这些电容器用于储存电荷，并将电荷从VIN传输到VOUT，除快速电容，还需一个输入电容器 (CIN)及输出电容器(COUT)，输入电容器指示电压波纹，而输出电容器控制输出电压波纹，依VIN和VOUT可接受的波纹标准值，CIN和COUT 值的一般范围是从1～10微法，且CFLY的数量通常比COUT少，外部电容器透过内部的功率FET在不同的配置中连接到晶片。

　　为利用开关电容稳压器来调节输出电压，可考虑使用脉波频率调变(PFM)或脉波宽度调变(PWM)，开关电容稳压器的输出阻抗与开关频率和内部功率FET 的电阻成比例。透过调制输出阻抗，可再透过转换器对给定负载进行降压；使用回授，即能控制频率或内部FET阻抗，以调节输出电压，而PFM方案为较传统方法。

　　在PFM类系统中，输出电压如高于一个指定值，稳压器即进行关机控制，至输出电压降到所需值以下时再重新开机，使用PFM控制模式的优势是操作电压取决于 VIN和ILOAD，同时两者皆可调整。负载越高、操作频率就越接近指定频率，但此操作范围内的频率变化可能不适用某些可携式应用，输入电压波纹也取决于 VIN和ILOAD。10微法COUT的输出波纹将为50毫伏特，可看到250毫安培负载的波纹频率高于10毫安培负载的波纹频率。

　　电压偏离导致LDO效率降低

　　LDO在要求的电压与电池电压相近时最有效率，但如电压偏离值很远时，LDO效率就会降的很低，例如以3.6伏特电压为一个仅要求1.5伏特电压的微处理器锂离子电池充电时，把电池电压与1.5伏特LDO连接起来，就能为微处理器产生一个完整、稳定和小量的电源，但耗电量却非常明显。

LDO消耗功率(PD)等于负载电流(ILOAD)与输入和输出电压的差相乘，即PD=ILOAD×(3.6～1.5)=ILOAD×2.3V。换句话说，此例中，如以LDO做降压转换器时，仅产生42%的效率，表示LDO消耗剩余功率，且大幅增加晶片(Di