《電子技術(shù)應(yīng)用》
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便攜產(chǎn)品電源芯片的設(shè)計(jì)技巧

2009-02-09
作者:顏重光

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  隨著便攜產(chǎn)品日趨小巧輕薄,對電源管理芯片也提出更高的要求,諸如高集成度、高可靠性、低噪聲、抗干擾、低功耗等。本文探討了在便攜產(chǎn)品電源設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用中需要注意的各方面問題。

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  便攜產(chǎn)品的電源設(shè)計(jì)需要系統(tǒng)級思維,在開發(fā)手機(jī)、MP3、PDA、PMP、DSC等由電池供電的低功耗產(chǎn)品時(shí),如果電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理,會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)、產(chǎn)品的特性組合、元件的選擇、軟件的設(shè)計(jì)以及功率分配架構(gòu)等。同樣,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,也要從節(jié)省電池能量的角度出發(fā)多加考慮。例如,現(xiàn)在便攜產(chǎn)品的處理器一般都設(shè)有幾種不同的工作狀態(tài),通過一系列不同的節(jié)能模式(空閑、睡眠、深度睡眠等)可減少對電池容量的消耗。當(dāng)用戶的系統(tǒng)不需要最大處理能力時(shí),處理器就會(huì)進(jìn)入電源消耗較少的低功耗模式。

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  從便攜式產(chǎn)品電源管理的發(fā)展趨勢來看,需要考慮以下幾個(gè)問題:1. 電源設(shè)計(jì)必須要從成本、性能和產(chǎn)品上市時(shí)間等整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)來考慮;2. 便攜產(chǎn)品日趨小巧輕薄化,必需考慮電源系統(tǒng)體積小、重量輕的問題;3. 選用電源管理芯片力求高集成度、高可靠性、低噪聲、抗干擾、低功耗,突破散熱瓶頸,延長電池壽命;4. 選用具有新技術(shù)的新型電源芯片進(jìn)行方案設(shè)計(jì),這是保證產(chǎn)品先進(jìn)性的基本條件,也是便攜產(chǎn)品電源管理的永恒追求。

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  便攜產(chǎn)品常用電源管理芯片包括:低壓差穩(wěn)壓器(LDO)、非常低壓差穩(wěn)壓器(VLDO)、基于電感器儲(chǔ)能的DC/DC轉(zhuǎn)換器(降壓電路Buck、升壓電路Boost、降壓-升壓變換器Buck-Boost)、基于電容器儲(chǔ)能的電荷泵、電池充電管理芯片、鋰電池保護(hù)IC。

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  選用電源管理芯片時(shí)應(yīng)注意:選用生產(chǎn)工藝成熟、品質(zhì)優(yōu)秀的生產(chǎn)廠家產(chǎn)品;選用工作頻率高的芯片,以降低周邊電路的應(yīng)用成本;選用封裝小的芯片,以滿足便攜產(chǎn)品對體積的要求;選用技術(shù)支持好的生產(chǎn)廠家,方便解決應(yīng)用設(shè)計(jì)中的問題;選用產(chǎn)品資料齊全、樣品和DEMO易于申請、能大量供貨的芯片;選用性價(jià)比好的芯片。

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  LDO線性低壓差穩(wěn)壓器

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  LDO線性低壓差穩(wěn)壓器是最簡單的線性穩(wěn)壓器,由于其本身存在DC無開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換,所以它只能把輸入電壓降為更低的電壓。它最大的缺點(diǎn)是在熱量管理方面,因?yàn)槠滢D(zhuǎn)換效率近似等于輸出電壓除以輸入電壓的值。

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  LDO電流主通道在其內(nèi)部是由一個(gè)MOSFET加一個(gè)過流檢測電阻組成,肖特基二極管作反相保護(hù),輸出端的分壓電阻取出返饋電去控制MOSFET的流通電流大小,EN使能端可從外部去控制它的工作狀態(tài),內(nèi)部還設(shè)置過流保護(hù)、過溫保護(hù)、信號放大、Power-OK、基準(zhǔn)源等電路,實(shí)際上LDO已是一多電路集成的SoC。LDO的ESD>4KV,HBM ESD>8KV。

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  低壓差穩(wěn)壓器的應(yīng)用象三端穩(wěn)壓一樣簡單方便,一般在輸入、輸出端各加一個(gè)濾波電容器即可。電容器的材質(zhì)對濾波效果有明顯影響,一定要選用低ESR的X7R & X5R陶瓷電容器。

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  LDO布線設(shè)計(jì)要點(diǎn)是考慮如何降低PCB板上的噪音和紋波,如何走好線是一個(gè)技巧加經(jīng)驗(yàn)的工藝性細(xì)活,也是設(shè)計(jì)產(chǎn)品成功的關(guān)鍵之一。圖1說明了如何設(shè)計(jì)走線電路圖,掌握好電流回流的節(jié)點(diǎn),有效的控制和降低噪音和紋波。優(yōu)化布線方案是值得參考的。

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LDO布線電路方案

圖1:LDO布線電路方案

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  如果一個(gè)驅(qū)動(dòng)圖像處理器的LDO輸入電源是從單節(jié)鋰電池標(biāo)稱的3.6V,在電流為200mA時(shí)輸出1.8V電壓,那么轉(zhuǎn)換效率僅為50%,因此在手機(jī)中產(chǎn)生一些發(fā)熱點(diǎn),并縮短了電池工作時(shí)間。雖然就較大的輸入與輸出電壓差而言,確實(shí)存在這些缺點(diǎn),但是當(dāng)電壓差較小時(shí),情況就不同了。例如,如果電壓從1.5V降至1.2V,效率就變成了80%。

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  當(dāng)采用1.5V主電源并需要降壓至1.2V為DSP內(nèi)核供電時(shí),開關(guān)穩(wěn)壓器就沒有明顯的優(yōu)勢了。實(shí)際上,開關(guān)穩(wěn)壓器不能用來將1.5V電壓降至1.2V,因?yàn)闊o法完全提升MOSFET(無論是在片內(nèi)還是在片外)。LDO穩(wěn)壓器也無法完成這個(gè)任務(wù),因?yàn)槠鋲翰钔ǔ8哂?00mV。

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  理想的解決方案是采用一個(gè)VLDO穩(wěn)壓器,輸入電壓范圍接近1V,其壓差低于300mV,內(nèi)部基準(zhǔn)接近0.5V。這樣的VLDO穩(wěn)壓器可以很容易地將電壓從1.5V降至1.2V,轉(zhuǎn)換效率為80%。因?yàn)樵谶@一電壓上的功率級通常為100mA左右,那么30mW的功率損耗是可以接受的。VLDO的輸出紋波可低于1mVP-P。將VLDO作為一個(gè)降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器的后穩(wěn)壓器就可容易地確保低紋波。

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  開關(guān)式DC/DC升降壓穩(wěn)壓器

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  開關(guān)式DC/DC升降壓穩(wěn)壓器按其功能分成Buck開關(guān)式DC/DC降壓穩(wěn)壓器、Boost開關(guān)式DC/DC升壓穩(wěn)壓器和根據(jù)鋰電池的電壓從4.2V降低到2.5V能自動(dòng)切換降升壓功能的Buck-Boost開關(guān)式DC/DC升降壓穩(wěn)壓器。當(dāng)輸入與輸出的電壓差較高時(shí),開關(guān)穩(wěn)壓器避開了所有線性穩(wěn)壓器的效率問題。它通過使用低電阻開關(guān)和磁存儲(chǔ)單元實(shí)現(xiàn)了高達(dá)96%的效率,因此極大地降低了轉(zhuǎn)換過程中的功率損失。

  Buck開關(guān)式DC/DC降壓穩(wěn)壓器是一種采用恒定頻率、電流模式降壓架構(gòu),內(nèi)置主(P溝道MOSFET)和同步(N溝道MOSFET)開關(guān)。PWM控制的振蕩器頻率決定了它的工作效率和使用成本。選用開關(guān)頻率高的DC/DC可以極大地縮小外部電感器和電容器的尺寸和容量,如超過2MHz的高開關(guān)頻率。開關(guān)穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)較小,通??梢杂煤玫脑O(shè)計(jì)技術(shù)來克服。但是電感器的頻率外泄干擾較難避免,設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)對其EMI輻射需要考慮。

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  圖2給出了Buck開關(guān)式DC/DC應(yīng)用線路設(shè)計(jì),需要注圖中粗線的部分:粗線是大電流的通道;選用MuRata、Tayo-Yuden、TDK&AVX品質(zhì)優(yōu)良、低ESR的X7R & X5R陶瓷電容器;在應(yīng)用環(huán)境溫度高,或低供電電壓和高占空比條件下(如降壓)工作,要考慮器件的降溫和散熱。必須注意:SW vs. L1距離<4mm;Cout vs. L1距離<4mm;SW、Vin、Vout、GND的線必須粗短。

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Buck開關(guān)式DC/DC應(yīng)用線路設(shè)計(jì)

圖2:Buck開關(guān)式DC/DC應(yīng)用線路設(shè)計(jì)

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  要得到一個(gè)運(yùn)作穩(wěn)定和低噪音的高頻開關(guān)穩(wěn)壓器,需要小心安排PCB板的布局結(jié)構(gòu),所有的器件必需靠近DC/DC,可以把PCB板按功能分成幾塊,如圖3所示。1. 保持通路在Vin、Vout之間,Cin、Cout接地很短,以降低噪音和干擾;2. R1、R2和CF的反饋成份必須保持靠近VFB反饋腳,以防噪音;3. 大面積地直接聯(lián)接2腳和Cin、Cout的負(fù)端。

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  DC/DC應(yīng)用舉例:1. APS1006為MCU/DSP核(Core)供電;2. APS1006應(yīng)用于電子礦燈(圖3);3. APS1046應(yīng)用于0.8-1.8'微硬盤供電(圖4);4. APS1006、APS4070應(yīng)用于智能手機(jī)(圖5)。

APS1006應(yīng)用于電子礦燈?

圖3:APS1006應(yīng)用于電子礦燈

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APS1046應(yīng)用于0.8-1.8

  圖4:APS1046應(yīng)用于0.8-1.8'微硬盤供電

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APS1006?

圖5:APS1006、APS4070在智能手機(jī)上的應(yīng)用

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  電荷泵及其應(yīng)用技巧

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  電容式電荷泵通過開關(guān)陣列和振蕩器、邏輯電路、比較控制器實(shí)現(xiàn)電壓提升,采用電容器來貯存能量。電荷泵是無須電感的,但需要外部電容器。工作于較高的頻率,因此可使用小型陶瓷電容(1μF),使空間占用最小,使用成本低。電荷泵僅用外部電容即可提供±2倍的輸出電壓。其損耗主要來自電容器的等效串聯(lián)電阻(ESR)和內(nèi)部開關(guān)晶體管的RDS(ON)。

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  電荷泵轉(zhuǎn)換器不使用電感,因此其輻射EMI可以忽略。輸入端噪聲可用一只小型電容濾除。它輸出電壓是工廠生產(chǎn)時(shí)精密予置的,調(diào)整能力是通過后端片上線性調(diào)整器實(shí)現(xiàn)的,因此電荷泵在設(shè)計(jì)時(shí)可按需要增加電荷泵的開關(guān)級數(shù),以便為后端調(diào)整器提供足夠的活動(dòng)空間。電荷泵十分適用于便攜式應(yīng)用產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。從電容式電荷泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看,它實(shí)際上是一個(gè)片上系統(tǒng)。

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  電荷泵是一種無幅射的有效升壓器件,它不使用電感器而使用電容器作為儲(chǔ)能器件。在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)需要注意電容器的容量和材質(zhì)對輸出紋波的影響。外部電容器的容量關(guān)系到輸出紋波,在固定的工作頻率下,太小的電容容量,將使輸出紋波增大。輸出紋波大小與電容器材料介質(zhì)有關(guān),外部電容器的材料類型關(guān)系到輸出紋波。同一電荷泵,使用相同的容量和尺寸而不同材料類型的電容器,輸出紋波的結(jié)果。在工作頻率固定,電容器容量相同的情況下,優(yōu)良的材料介質(zhì),將有效地降低紋波。選用低ESR的X7R & X5R陶瓷電容器是一種比較好的選擇。

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  LCD Module(LCM)是目前CP、MP3/MP4、PMP需求量較大的產(chǎn)品,在有限的PCB面積上,需要按裝LCD屏、數(shù)碼相機(jī)的鏡頭和閃光燈、音頻DAC等器件,因此它需要封裝很小的多芯片組合的電源模塊(MCM),以減小電源IC所占PCB的面積,而手機(jī)產(chǎn)品又要求這些電源IC對RF幾乎無干擾。

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  電池充電管理芯片和鋰電池保護(hù)IC

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  鋰電池充電IC是一個(gè)片上系統(tǒng)(SoC),它由讀取使能微控制器、2倍涓流充電控制器、電流環(huán)誤差放大器、電壓環(huán)誤差放大器、電壓比較器、溫度感測比較器、環(huán)路選擇和多工驅(qū)動(dòng)器、充電狀態(tài)邏輯控制器、狀態(tài)發(fā)生器、多工器、LED信號發(fā)生器、MOSFET、基準(zhǔn)電壓、電源開機(jī)復(fù)位、欠電壓鎖定、過流/短路保護(hù)等十多個(gè)不同功能的IC整合在一個(gè)晶元上。它是一個(gè)高度集成、智能化芯片。鋰電智能充電過程:涓流充-->恒流充-->恒壓充-->電壓檢測,因此電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要做到:充分保護(hù)、充分充電、自動(dòng)監(jiān)測、自動(dòng)控制。

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  鋰電池保護(hù)電路是封裝在鋰電池包內(nèi)的,它由一顆鋰電池保護(hù)IC和二顆MOSFET組成。在圖6中,OD代表過放電控制;OC代表過充電控制;P+、P-接充電器;B+、B-接鋰電池。鋰電池保護(hù)電路簡單工作原理如下:正常裝態(tài)M1、M2均導(dǎo)通;過充電時(shí)M2 OC腳由高電位轉(zhuǎn)至低電位,電閘關(guān)閉,截止充電,實(shí)現(xiàn)過充電保護(hù);充電電流方向P+-->P-;過放電時(shí)M1 OD腳由高電位轉(zhuǎn)至低電位,電閘關(guān)閉,截止充放電,實(shí)現(xiàn)過放電保護(hù);放電電流方向P- -->P+。

鋰電池保護(hù)電路

圖6:鋰電池保護(hù)電路

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  鋰電池保護(hù)電路的PCB板是很小的,設(shè)計(jì)時(shí)必須注意:1. MOSFET盡可能接近B-、P-;2. ESD防護(hù)電容器盡可能接近P+、P-;3. 相鄰線間距>0.25mm,通過電流大的線要放寬,地線加寬。

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