便携设备中供电电路的综合考虑

在便携设备和无线产品的设计中,设计人员常常面临如何提高产品性能、进一步延长电池工作时间的挑战,由于对成本和体积的要求比较苛刻,设计中会牺牲系统的某些指标而采取一些折衷的解决方案。新型供电电路的出现弥补了以上设计中的不足。

导读: 在便携设备和无线产品的设计中,设计人员常常面临如何提高产品性能、进一步延长电池工作时间的挑战,由于对成本和体积的要求比较苛刻,设计中会牺牲系统的某些指标而采取一些折衷的解决方案。新型供电电路的出现弥补了以上设计中的不足。

  在便携设备和无线产品的设计中,设计人员常常面临如何提高产品性能、进一步延长电池工作时间的挑战,由于对成本和体积的要求比较苛刻,设计中会牺牲系统的某些指标而采取一些折衷的解决方案。新型供电电路的出现弥补了以上设计中的不足,能够保证系统高可靠性、高性能指标的要求,并有效地延长电池寿命。供电电路的主要参数有成本、效率(电池寿命)、输出纹波、噪声及静态电流。表一列出了这些参数与电路结构、输入输出电压范围的相互关系,下面我们就结合表一,进一步阐述这些电路结构的特点。

表一:供电电路特性与电路结构和输入(Vin)输出(Vout)电压的关系

▲表一:供电电路特性与电路结构和输入(Vin)输出(Vout)电压的关系

  一.低压差(LDO)线性稳压器

  低压差线性稳压器的突出优点是具有最低的成本,最低的噪声和最低的静态电流。它的外围器件也很少,通常只有一两个旁路电容。新型LDO 可达到以下指标:30μV 输出噪声、60dB PSRR、6

  μA 静态电流及100mV 的压差。LDO 线性稳压器能够实现这些特性的主要原因在于内部调整管采用了P 沟道场效应管,而不是通常线性稳压器中的PNP 晶体管。P 沟道的场效应管不需要基极电流驱动,所以大大降低了器件本身的电源电流;另一方面,在采用PNP 管的结构中,为了防止PNP 晶体管进入饱和状态降低输出能力,必须保证较大的输入输出压差;而P 沟道场效应管的压差大致等于输出电流与其导通电阻的乘积,极小的导通电阻使其压差非常低。

  当系统中输入电压和输出电压接近时, LDO 是最好的选择,可达到很高的效率。所以在将锂离子电池电压转换为3V 电压的应用中大多选用LDO,尽管电池最后放电能量的百分之十没有使用,但是LDO 仍然能够在低噪声结构中提供较长的电池寿命。

  二.电荷泵

  基本的电荷泵电路成本较低,它的最大优点是无需电感,外围电路只需几个电容,体积较小,能够提供百分之九十五的效率;固定开关频率时产生较大的噪声和静态电流。另外,这种结构的输出电压只能是输入电压的倍数,利用四个内部开关和一个外部飞电容(flying capacitor)能够获得输入电压的2 倍、1/2 倍或-1 倍输出;也可以使用多级结构获得其它倍数的电压,但成本和静态电流也会增加,所以,在传统的设计中,电荷泵结构很少与电池直接相连,而是用于产生系统的辅电源,为小电路模块或某一器件供电。但从目前的发展趋势看, 新型的电荷泵输出电流越来越大,而便携式产品的功耗则越来越低,所以有些产品选用电荷泵做系统的主电源。

  1.电荷泵+LDO

  为了克服电荷泵电路固有的缺陷,某些新型电源将电荷泵与LDO 相结合,这种结构可以得到任意的输出电压,而且降低了输出噪声,但效率也相应有所下降,下降幅度与输入输出电压有关,例如两节NiMH 电池转换为3V 的效率是3V/。这里还没有考虑电荷泵自身的效率损耗,LDO 的输出电压与电荷泵倍压输出越接近,这种结构的效率越高。

  2.电荷泵稳压器

  新型电荷泵稳压器采用PFM 或PWM 方式,内部电路不需要LDO。与电荷泵+LDO 方式相比,新型PFM 方式的电荷泵具有低成本、低静态电流等特点,但输出噪声略有增加、两种电路的效率基本相同。如果改变倍乘因子可以改善转换效率。例如转换两节碱性电池到5V,新电池时使用两倍压,而电池电压低于2.5V 时使用3 倍压。升降压应用中,开始时使用降压而后来使用两倍升压,可以改善效率。但是半导体行业很少采用这样复杂的电荷泵稳压器。

  电荷泵稳压器在主电源和后备电源中都十分有用,最新的电荷泵稳压器能够提供250mA 的输出电流,非常适合低功耗的应用。它能够产生存储器所需要的编程电压,为GaAs 射频功率放大器产生非常稳定的负偏置电压等。

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