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如何實(shí)現(xiàn)更精巧的電源解決方案
文章出處：宏銳電氣人氣： 發(fā)布時(shí)間：2017-6-10 16:13:56
把不同功能集成到同一芯片是PDA、便攜式導(dǎo)航系統(tǒng) (GPS) 和智能型手機(jī)等便攜式產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)。就在幾年前，應(yīng)用產(chǎn)品的每一組電源都需要單獨(dú)的電源轉(zhuǎn)換器，但隨著電池供電型產(chǎn)品的功能日益復(fù)雜，電源設(shè)計(jì)也開(kāi)始改變，把產(chǎn)品所需的各種電源整合在一起已成為潮流，除了處理器所需的電源外，還有藍(lán)牙模塊、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊和屏幕等其它功能也需要獨(dú)立的電源。在這類應(yīng)用中，電源供應(yīng)方式可分為幾種：
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• 采用內(nèi)含其它功能的電源供應(yīng)芯片，例如CODEC、ADC、音頻放大器和充電器等
• 單個(gè)芯片提供全部所需電源
• 功能模塊專用的電源轉(zhuǎn)換器
本文將介紹后面兩種解決方案。在設(shè)計(jì)中采用功能模塊專用的電源轉(zhuǎn)換器有幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：首先是電路板的零件位置更容易安排，因?yàn)樗鼈兛芍苯臃旁谔幚砥骰驘o(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊等供電目標(biāo)的旁邊。其次，電路板布局更簡(jiǎn)單，因?yàn)樾盘?hào)不必穿越整張電路板。另外，這些電源與其它電路之間的耦合也會(huì)降至最低，這對(duì)GPS模塊或鎖相回路 (PLL) 等敏感性電源特別重要。
這種做法對(duì)于以現(xiàn)有解決方案為基礎(chǔ)的后續(xù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)計(jì)劃也有好處，因?yàn)楫?dāng)工程師要改變產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，他們可將變動(dòng)范圍局限在功能模塊層級(jí) – 設(shè)計(jì)人員只需修改功能升級(jí)的部份，其它電路則保持不變；相較之下，若應(yīng)用只有一個(gè)電源芯片，工程師就要花更多精神讓設(shè)計(jì)符合新要求。由于縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間已成為產(chǎn)品成功的關(guān)鍵，這類電源供應(yīng)方式顯然具有相當(dāng)優(yōu)勢(shì)。
要提供這種解決方案，電源芯片必須達(dá)到幾項(xiàng)要求。首先必須有一系列器件提供所需的各種電源，且其體積必須盡量縮小，以免占用太多電路板空間。其次，這些芯片應(yīng)很容易針對(duì)不同的需求搭配不同的解決方案。德州儀器 (TI) 的TPS6502x和TPS6505x系列就是例子，這些器件專門(mén)為手持裝置的應(yīng)用處理器提供電源。由于不同系列的處理器會(huì)有不同的需要，它們也有專屬芯片來(lái)支持個(gè)別型號(hào)或個(gè)別系列的處理器及應(yīng)用。
一般而言，使用電池的應(yīng)用都會(huì)要求電源在很大的輸出電流范圍內(nèi)維持高效率，因此所有器件的操作都必須針對(duì)靜態(tài)電流最佳化。所謂靜態(tài)電流是芯片在不提供任何輸出電流的情形下，繼續(xù)維持輸出電壓所需的電流，這項(xiàng)參數(shù)對(duì)必須長(zhǎng)時(shí)間處在待機(jī)模式的應(yīng)用很重要。低靜態(tài)電流不但延長(zhǎng)應(yīng)用的待機(jī)時(shí)間，對(duì)直流電源轉(zhuǎn)換器在超低輸出電流下的工作效率也有很大影響。
降壓轉(zhuǎn)換器等直流電源轉(zhuǎn)換器的效率會(huì)受到三項(xiàng)因素影響：輸出電流很大時(shí)，效率主要由內(nèi)部電源開(kāi)關(guān)的阻抗決定，因此低阻抗對(duì)這個(gè)操作范圍很重要。對(duì)于采用固定頻率脈寬調(diào)制 (PWM) 的降壓轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，負(fù)載周期是由輸入對(duì)輸出電壓的比值決定。輸出電壓很小時(shí)，內(nèi)部下端開(kāi)關(guān) (NMOS) 的導(dǎo)通時(shí)間會(huì)遠(yuǎn)超過(guò)上端開(kāi)關(guān) (PMOS)；如果輸出電壓很高，就變成上端開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間比較長(zhǎng)。因此若假設(shè)所有轉(zhuǎn)換器的輸入電壓都相同，設(shè)計(jì)人員就應(yīng)針對(duì)轉(zhuǎn)換器的目標(biāo)輸出電壓來(lái)選擇開(kāi)關(guān)的大小和阻抗；一般來(lái)說(shuō)，便攜式應(yīng)用的鋰離子電池的電壓范圍大約從4.2V到3.0V，未來(lái)還可能進(jìn)一步降低到2.5V。
當(dāng)輸出電流在10-200mA范圍時(shí)，主要耗電來(lái)源就不再是開(kāi)關(guān)阻抗，而是由電源開(kāi)關(guān)的閘極電荷和電感功耗決定其效率。利用開(kāi)關(guān)頻率控制輸出電流是在此操作范圍保持高效率的重要技巧，這種做法稱為脈沖頻率調(diào)制 (PFM)。PFM基本上會(huì)提供固定的電能到輸出端：輸出電流很大時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率就比較高，輸出電流低時(shí)則降低開(kāi)關(guān)頻率，進(jìn)而減少開(kāi)關(guān)功耗。轉(zhuǎn)換器的輸出電流很低時(shí)，靜態(tài)電流造成的固定功耗就如前所述決定整體的效率。
TPS6502x和TPS6505x系列的所有器件都采用低耗電最佳設(shè)計(jì)，故能在很大的電壓和電流范圍內(nèi)提供最高轉(zhuǎn)換效率。表1是TPS502x系列概況，這些器件包含3組降壓轉(zhuǎn)換器，分別提供系統(tǒng)電壓、內(nèi)存電壓和處理器核心電壓；它們還包含兩組低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)，負(fù)責(zé)提供電源給鎖相回路 (PLL) 和SRAM或處理器的其它功能模塊。這些器件還有許多功能未列在表中，例如后備電池支持、I2C界面和重置功能。
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