利用具有LDO特性的DC/DC转换器满足下一代移动应用设计需求

关频率是决定电感值的主要因素。开关频率越高，即dt越低，则电感越校

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。

图2：DC/DC转换器运行情况简图。

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。

图3：典型移动DC/DC转换器中的电感尺寸与开关频率的关系。

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。

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 target=_blank>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。

图4：2MHz及8MHz开关频率下DC/DC转换器的损耗。

图6：MIC3385 “L Free”DC/DC转换器的结构简图。

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。

图7：MIC3385在3mmx3mm MLF封装中集成了“L-Free”DC/DC转换器。

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。

图8：MIC3385与MIC2205的效率比较。

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。

图9：5us之内，从100uA到20mA然后到300mA的负载瞬变条件下，MIC3385与传统的移动DC/DC转换器的比较。

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。

本文小结

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。