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1便携产品电源芯片的应用技术思考PowerManagementApplicationTechniquesforHandhelds“2006便携式消费电子产品专题研讨会”上海新国际博览中心2006-3-22《今日电子》颜重光AlecYanFAEManager/SeniorEngineerAnalogPowerSemiconductorCorp崇芯微电子(上海)有限公司APSemi.com(IPCoreTechnologiesAnalogBU)PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建便携产品电源设计需要系统级思维，在开发由电池供电的设备时，诸如手机、MP3、PDA、PMP、DSC等低功耗产品，如果电源系统设计不合理，则会影响到整个系统的架构、产品的特性组合、元件的选择、软件的设计和功率分配架构等。同样，在系统设计中，也要从节省电池能量的角度出发多加考虑。例如现在便携产品的处理器，一般都设有几个不同的工作状态，通过一系列不同的节能模式（空闲、睡眠、深度睡眠等）可减少对电池容量的消耗。即当用户的系统不需要最大处理能力时，处理器就会进入电源消耗较少的低功耗模式。从便携式产品电源管理的发展趋势来看，需要考虑这样几个问题：1）电源设计必须要从成本、性能和产品上市时间等整个系统设计来考虑；2）便携产品日趋小巧薄型化，必需考虑电源系统体积小、重量轻的问题；3）选用电源管理芯片力求高集成度、高可靠性、低噪声、抗干扰、低功耗、突破散热瓶颈，延长电池寿命；4）选用具有新技术的新产品电源芯片，将新的电源芯片应用于新的设计方案中去，是保证新产品先进性的基本条件，也是便携产品电源管理的永恒追求。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建便携产品常用电源管理芯片•低压差稳压器LDOLinearRegulatorsLDOVLDO；•基于电感器储能的DC/DCConverters(InductorBasedSwitchingRegulators)BuckBoostBuck-Boost；•基于电容器储能的ChargePumps(SwitchedCapacitorRegulators);；•电池充电管理BatteryChargers;•锂电池保护LithiumBatteryProtection;APSemiPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建线性低压差稳压器是最简单的线性稳压器，由于其本身存在DC无开关电压转换，所以它只能把输入电压降为更低的电压。它最大的优点是使用方便而简单、低成本；它的缺点是在热量管理方面，因为其转换效率近似等于输出电压除以输入电压的值。低压差(VLDO)稳压器，输入电压范围接近1V，其压差低于100mV，甚至30mV，内部基准接近0.5V。当采用1.5V主电源并需要降压至1.2V为DSP内核供电时，开关稳压器就没有明显的优势了。实际上，开关稳压器不能用来将1.5V电压降至1.2V，因为无法完全提升MOSFET(无论是在片内还是在片外)。VLDO的输出纹波可低于1mVP-P。将VLDO作为一个降压型开关稳压器的后稳压器就可容易地确保低纹波。LDO的纹波和静态电流在手机上用的LDO要求尽可能小的纹波，在没有RF的便携式产品需求静态电流小的LDO。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建电源管理芯片—DC/DC•当输入与输出的电压差较高时，开关稳压器避开了所有线性稳压器的效率问题。它通过使用低电阻开关和磁存储单元实现了高达96%的效率，因此极大地降低了转换过程中的功率损失。•选用开关频率高的DC/DC可以极大地缩小外部电感器和电容器的尺寸和容量，如超过2MHz的高开关频率。•开关稳压器的缺点较小，通常可以用好的设计技术来克服。但是电感器的频率外泄干扰较难避免，设计应用时对其EMI辐射需要考虑。APSemiPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建电源管理芯片—ChargePump•电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升，采用电容器来贮存能量。电荷泵是无须电感的，但需要外部电容器。工作于较高的频率，因此可使用小型陶瓷电容(1μF)，使空间占用最小，使用成本低。电荷泵仅用外部电容即可提供±2倍的输出电压。其损耗主要来自电容器的ESR(等效串联电阻)和内部开关晶体管的RDS（ON）。电荷泵转换器不使用电感，因此其辐射EMI可以忽略。输入端噪声可用一只小型电容滤除。它输出电压是工厂生产时精密予置的,调整能力是通过后端片上线性调整器实现的，因此电荷泵在设计时可按需要增加电荷泵的开关级数，以便为后端调整器提供足够的活动空间。电荷泵十分适用于便携式应用产品的设计。从电容式电荷泵内部结构来看,它实际上是一个片上系统。APSemiPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建电源管理芯片选用思考•选用生产工艺成熟、品质优秀的生产厂家产品；•选用工作频率高的芯片，以降低成本周边电路的应用成本；•选用封装小的芯片，以满足便携产品对体积的要求；•选用技术支持好的生产厂家，方便解决应用设计中的问题；•选用产品资料齐全、样品和DEMO申请用易、能大量供货的芯片；•选用产品性能/价格比好的芯片；APSemiPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建(ON)GNDOver-CurrentProtectionOver-TempProtectionBandgapReferenceBYP4kVESDProtection+–LDO的内部结构8kVAPSemiLDO的内部拓朴结构由作为电流主通道的MOSFET、作反向保护的肖特基二极管、作输出电流大小检测的敏感电阻，过温/过压保护电路，输出电压取样反馈电路、比较放大器、基准电源、使能电路等几部分构成，新的LDO还包括开机系统自检的PowerOK。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建低压差稳压器(LDOs)的应用LDOACSupplyDCOutputLDOBatteryDCOutputStandardPowerSupplyBatteryOperatedApplicationSwitchingConverterPostRegulatorMultipleOutputConfigurationDCorACSupplyCleanDCOutputLDOSwitchingRegulatorLDOLDOLDOLDOEN1EN2EN3EN4OUT1OUT2OUT3OUT4APSemiPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建布线考虑：降低噪音和纹波LDORegulatorCBYPCOUTRTRACERTRACERTRACERTRACECINRLOADVINENGNDVOUTBYPILOADIRIPPLEIINVINGNDDCINPUTIGNDCBYPGNDLOOPILOADreturn+noiseandrippleIBYP+noiseLDORegulatorCBYPCOUTRTRACERTRACERTRACERTRACECINRLOADVINENGNDVOUTBYPVINGNDIINILOADIGNDIRIPPLEDCINPUTILOADreturn+noiseandrippleIBYPonly典型布线优化布线APSemiPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建(in)VOUTGND(return)COUTCBYPCINLDOIdealLDOPCBLayout(Recommended)ENVINGND(in)VOUTGND(return)GroundPlaneCOUTCBYPCINLDOPoorLDOPCBLayout(NOTrecommended)理想的LDOPCB设计图（被推荐的）不好的LDOPCB设计图（不推荐的)APSemiPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建转换器结构原理本振误差放大器分压电路参考电压锁存器SW（N）MOSFETSW（P）MOSFET误差放大器EA将输出电压的某一部分与参考电压进行比较，产生一误差输出电压，并与本振产生的固定幅度的斜波电压相比较，当EA输出电压达到本振斜波电压时，复位信号就将锁存器关闭。随着误差电压增加，锁存器的占空比也增加，EA输出电压自我调整，使该占空比在FB产生的基准电压幅度，从而调整输出电压。FB比较放大器APS1006PWM控制APSemiPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建应用布线思考MODE/SYNCRUN1SW1POR_GNDAPS1026L12.2µHVOUT1.8VC310µFC210µFVIN2.5V–5.5VVINRUN2SW2VFB2VFB1VOUT2.5VC522pFC422pFR5100KRESETL22.2µHR1316KR2634KR3316KR41MC110µF粗线是大电流的通道，掌握好电流回流的节点设计，以降低噪音。APSemiPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建应用电路设计思考☺粗线是大电流的通道。☺选用MuRata,Tayo-Yuden,TDK&AVX品质优良、低ESR’sX7R&X5R陶瓷电容器。APSemiPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建应用Layout的设计技巧☺SWvsL1距离4mm☺CoutvsL1距离4mm☺SW、Vin、Vout、GND的线必须粗短。APSemiPCB板设计要点要得到一个运作稳定和低噪音的高频开关稳压器，需要小心安排PCB板的布局结构，所有的器件必需靠近DC/DC，可以把PCB板按功能分成几块，如图所示。1)保持通路在Vin、Vout之间，Cin、Cout接地很短，以降低噪音和干扰；2）R1、R2和CF的反馈成份必须保持靠近VFB反馈脚，以防噪音；3）大面积地直接联接2脚和Cin、Cout的负端。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建的发展趋势负载负载现在的DC/DC结构已包括肖特基正在开发的新一代DC/DC将电感器包括在内PWM控制电路FET驱动电路DC/DC转换电路开关通道同步整流FET寄生二极管FET栅极驱动APSemiPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建的片上电感器VIN=2.3-5.5VVOUT=0.8-3.3VIOUT=1ADC/DCMEMS电感器DC/DC薄膜技术硅片电感器Enp公司已上市的新产品DC/DC,封装内已集成用MEMS技术制造的5nH电感器和DC/DC。正在开发的将利用薄膜技术在硅片上形成2.5nH平面电感器。VIN=3.3VVOUT=2.5Vη90%F=5MHzF=10MHzAPSemiPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建