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如何實現更精巧的電源解決方案
文章出處:宏銳電氣人氣: 發布時間:2017-6-10 16:13:56
把不同功能集成到同一芯片是PDA、便攜式導航系統 (GPS) 和智能型手機等便攜式產品的發展趨勢。就在幾年前,應用產品的每一組電源都需要單獨的電源轉換器,但隨著電池供電型產品的功能日益復雜,電源設計也開始改變,把產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,還有藍牙模塊、無線網絡模塊和屏幕等其它功能也需要獨立的電源。在這類應用中,電源供應方式可分為幾種:
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• 采用內含其它功能的電源供應芯片,例如CODEC、ADC、音頻放大器和充電器等
• 單個芯片提供全部所需電源
• 功能模塊專用的電源轉換器
本文將介紹后面兩種解決方案。在設計中采用功能模塊專用的電源轉換器有幾項優點:首先是電路板的零件位置更容易安排,因為它們可直接放在處理器或無線網絡模塊等供電目標的旁邊。其次,電路板布局更簡單,因為信號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降至最低,這對GPS模塊或鎖相回路 (PLL) 等敏感性電源特別重要。
這種做法對于以現有解決方案為基礎的后續產品開發計劃也有好處,因為當工程師要改變產品設計時,他們可將變動范圍局限在功能模塊層級 – 設計人員只需修改功能升級的部份,其它電路則保持不變;相較之下,若應用只有一個電源芯片,工程師就要花更多精神讓設計符合新要求。由于縮短開發時間已成為產品成功的關鍵,這類電源供應方式顯然具有相當優勢。
要提供這種解決方案,電源芯片必須達到幾項要求。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,這些芯片應很容易針對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,這些器件專門為手持裝置的應用處理器提供電源。由于不同系列的處理器會有不同的需要,它們也有專屬芯片來支持個別型號或個別系列的處理器及應用。
一般而言,使用電池的應用都會要求電源在很大的輸出電流范圍內維持高效率,因此所有器件的操作都必須針對靜態電流最佳化。所謂靜態電流是芯片在不提供任何輸出電流的情形下,繼續維持輸出電壓所需的電流,這項參數對必須長時間處在待機模式的應用很重要。低靜態電流不但延長應用的待機時間,對直流電源轉換器在超低輸出電流下的工作效率也有很大影響。
降壓轉換器等直流電源轉換器的效率會受到三項因素影響:輸出電流很大時,效率主要由內部電源開關的阻抗決定,因此低阻抗對這個操作范圍很重要。對于采用固定頻率脈寬調制 (PWM) 的降壓轉換器來說,負載周期是由輸入對輸出電壓的比值決定。輸出電壓很小時,內部下端開關 (NMOS) 的導通時間會遠超過上端開關 (PMOS);如果輸出電壓很高,就變成上端開關的導通時間比較長。因此若假設所有轉換器的輸入電壓都相同,設計人員就應針對轉換器的目標輸出電壓來選擇開關的大小和阻抗;一般來說,便攜式應用的鋰離子電池的電壓范圍大約從4.2V到3.0V,未來還可能進一步降低到2.5V。
當輸出電流在10-200mA范圍時,主要耗電來源就不再是開關阻抗,而是由電源開關的閘極電荷和電感功耗決定其效率。利用開關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制 (PFM)。PFM基本上會提供固定的電能到輸出端:輸出電流很大時,開關頻率就比較高,輸出電流低時則降低開關頻率,進而減少開關功耗。轉換器的輸出電流很低時,靜態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計,故能在很大的電壓和電流范圍內提供最高轉換效率。表1是TPS502x系列概況,這些器件包含3組降壓轉換器,分別提供系統電壓、內存電壓和處理器核心電壓;它們還包含兩組低壓差線性穩壓器(LDO),負責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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