适合空间受限应用的最高功率密度、多轨电源解决方案
随着通信、医疗和工业设备的总体尺寸不断缩小，电源管理设计变得越来越重要。本文讨论高度集成的全新电源管理解决方案的应用，这些新器件为RF系统、FPGA和处理器供电所带来的优势，以及有助于设计人员快速实现新设计的设计工具。
在通信基础设施中，毫微微蜂窝和微微蜂窝的兴起推动基站向更小型化方向发展，这对数字基带、存储器、RF收发器和功率放 大器的供电提出了复杂要求，必须在最小的面积中提供最高的功率密度，如图1所示。典型的小蜂窝系统需要密度非常高的电源，它能以快速瞬变响应输送大电流以 便为数字基带供电，同时利用低噪声、低压差调节器(LDO)为AD9361 RF捷变收发™、温度补偿晶体振荡器(TCXO)和其他噪声关键电源轨供电。将开关稳压器的开关频率设置到关键RF频段以外可降低噪声，并且同步开关稳压器可确保拍频不影响RF性能。降低数字基带的内核电压(VCORE)可将低功耗模式的功耗降至最低，电源时序控制则可确保数字基带在RF收发器使能之前上电并运行。数字基带与电源管理之间的I2C接口允许改变降压调节器的输出电压。为提高可靠性，电源管理系统可以监控其自身的输入电压和芯片温度，向基带处理器报告任何故障。
图1. 小型基站需要多种电源
同样，医疗和仪器设备（如便携式超声设备和手持式仪器）的趋势也是尺寸越来越小，要求在更小的面积上以更有效的方式为 FPGA、处理器和存储器供电，如图2所示。典型的FPGA和存储器设计需要密度非常高的电源，它能以快速瞬变响应输送大电流以便为内核和I/O电源轨供 电，同时通过低噪声轨为锁相环(PLL)等片内模拟电路供电。电源时序至关重要，应确保FPGA在存储器使能之前上电并运行。带精密使能输入和专用电源良 好输出的稳压器支持电源时序控制和故障监控。电源设计师通常希望将同一电源IC用在不同应用中，因此，必须能够改变电流限值。这种设计重用可大幅缩短产品 上市时间——任何新产品开发流程中的关键要素之一。
图2. 为基于FPGA的系统供电
考虑具有1路12 V输入和5路输出的FPGA的多轨电源管理常见设计规格：
- 内核电轨：1.2 V (4 A)
- 辅助电轨：1.8 V (4 A)
- I/O电轨：3.3 V (1.2 A)
- DDR存储器电轨：1.5 V (1.2 A)
- 时钟电轨：1.0 V (200 mA)
典型的分立方案如图3a所示，4个开关稳压器连接到12 V输入轨。一个开关稳压器的输出预调节LDO以降低功耗。另一种方法如图3b所示，使用一个稳压器将12 V输入降压至5 V中间轨，然后再经调节以产生所需的各个电压。该方案的成本较低，但由于采用两级电源转换，效率也较低。在以上两种方案中，各稳压器都必须独立使能，因 此，可能需要一个专用电源时序控制器来控制电源的时序。噪声可能也是一个问题，除非所有开关稳压器都能同步以降低拍频。
图3. (a) 分立稳压器设计，(b) 备选分立稳压器设计
集成解决方案实现高效率、小尺寸
将多个降压调节器和LDO集成到单个封装中，可显著缩小电源管理设计的总体尺寸。此外，与传统分立方案相比，智能型集成解决方案具有许多优势。减少分立元件数目可大幅降低设计的成本、复杂度和制造成本。集成电源管理单元(PMU)ADP5050 和 ADP5052 可在单个IC中实现所有这些电压和功能，所用PCB面积和元件大幅减少。
为了最大程度地提高效率，去除预调节器级，各降压调节器均直接从12 V电压供电（类似于图3a）。降压调节器1和2具有可编程电流限值（4 A、2.5 A或1.2 A），因此电源设计师可以快速轻松地为新设计改变电流，大大缩短开发时间。LDO可从1.7 V至5.5 V电源供电。在本例中，其中一个降压调节器的1.8 V输出为LDO供电，提供低噪声1 V电源轨用于噪声敏感的模拟电路。
开关频率fSW由电阻RRT设置，范围是250 kHz到1.4 MHz。灵活的开关频率范围使得电源设计师可以优化设计，降低频率以实现最高效率，或者提高频率以实现最小的总体尺寸。图4显示了fSW 与 RRT之间的关系。RRT的值可通过下式计算：
RRT = (14822/fSW)1.081，R的单位为kΩ，f的单位为kHz。
图4. 开关频率与RRT的关系
某些设计中，两者都很重要：对较高电流轨使用较低的开关频率以提供最高电源效率，对较低电流轨使用较高的开关频率以缩小电感尺寸和实现最小的PCB面积。ADP5050的主开关频率具有二分频选项，能够以两种频率工作，如图5所示。降压调节器1和3的开关频率可通过I2C端口设置为主开关频率的一半。
图5. ADP5050对高电流轨使用低开关频率以提高效率，对低电流轨使用高开关频率以缩