便携式产品实现高效电源变换的方法

　　随着便携式产品市场竞争日益激烈，高效率、高性能和小尺寸已成为这类产品设计的首要目标。对于电路板空间和发热管理都异常严格的便携式应用来说，经济高效的电源转换器将起到特别关键的作用。

　　由于受尺寸成本的限制，在着手设计电源转换电路之前已经确定了电池的节数和电池种类。另一方面，系统所需电源日趋复杂，从处理器，存储器，USB扩展接口到LCD偏压或显示背光电路，要求的电源从低至1.2V到高达30V。电源转换器的任务日趋繁重。在决定采用线性稳压器、开关DC-DC变换器还是电容电荷泵DC-DC变换器来完成电源转换方面，便携式应用的设计者要综合考虑许多因素 —— 总成本、效率、集成度、设计灵活性和封装，并作出折衷选择。

　　LDO稳压器适用于降压变换，从基本原理来说， LDO根据负载电阻的变化情况来调节自身的内电阻，从而保证稳压输出端的电压不变。在小型应用时只要求一个输入和输出旁路电容即可。由于采用线性调节原理，LDO输出噪声和纹波很小，很适合为声频放大器或RF电路供电。其转换效率可以简单地看作输出与输入电压之比，因此只适合于输入输出电压差较小的场合。

　　电荷泵式电压变换器，是一种利用泵电容来储能的DC-DC变换器，它们能使输入电压升高或降低，也可以用于产生负电压。由于电路是开关工作的，电荷泵结构也会产生一定的输出纹波和电磁干扰。 电荷泵输出电流一般小于约300mA，效率在80％左右。电荷泵可以采用小形的SOT-23或无引脚的QFN封装，而且只需外接陶瓷电容，从而有助于节省电路板面积，为要求效率高于LDO器件、而空间不够或成本预算不足的应用提供了一种解决方案。

　　电感型开关式DC-DC 变换器利用电感储能，不论是升压、降压还是两者同时进行，都可以实现的电源转换效率。尽管它与线性或电荷泵式器件相比要求更大的电路板面积，但对于要求更大电流的应用来说却十分理想。由于转换效率很高，因此发热很小，这也使得散热处理得以简化。特别是，与LDO器件相比时，一般不需要附加一个占大量空间的、成本较高的散热器。其高效率也提高了电池寿命。 先进封装技术也使得开关晶体管能集成到器件中，减少了外围器件，使用时只需外接一个电感和必要的输入、输出电容，可以使整个方案的体积进一步减小。

　　由于这些电源变换器各有其应用特点，设计时需要折衷考虑各种因素，根据侧重点不同，选用合适的电源变换方式，以实现便携式产品中的高效电源变换。

　　Q1：我们在使用中需要用到12V的电源，但使用的蓄电池会在12V上下波动，以前看到介绍有三种方法解决此类问题：1.串并联电池2.使用升降压配置3.SEPIC配置。前面两种都好理解，SEPIC配置到底为何意？

　　A1：SEPIC是可以不用耦合电感的，两个独立的电感也可。它是通过两个电感分别的蓄能而达到输出电压可大于或小于输入电压的。

　　Q2：目前的开关电源IC输出功率一般不超过150W，是不是可以用两个IC复合工作输出300W？有没有简单的电路？

　　A2：通用的PWM控制IC只输出一路PWM方波或者两路互补的PWM方波；多相PWM控制IC输出二到四路顺序相位PWM方波，输出方式为多路并联输出，优点是输出纹波幅值较小、频率较高、效率较高。

　　Q3：我公司开发的手持仪表带有微型打印机，打印机工作时电流达到1.5A以上，而平时电流只有20~30mA。按1.5A设计的电源，在小电流下效率很低，如何解决这一问题？

　　A3：目前的高集成度DC/DC IC电源可以提供1.5A 的输出电流， 同时在负载较轻时可从正常的PWM工作模式自动切换到BURST模式。这一功能可以很好地兼顾满载运行和轻载运行的不同要求。

　　Q4：随着开关电源技术的不断发展，竞争也日趋激烈。请问该如何满足低空载损耗，低成本的要求？

　　A4：Linear的许多DC-DC芯片带有业界极低的静态电流和轻载功耗。 并且它们大多可工作在很高开关频率下并带有很小尺寸。 因此可选用低值电感和电容， 从而导致电源整体成本降低和尺寸减小。

　　Q5：以Linear公司LT1083系列为例，在adj端和out端连接不同的电阻可以得到相应的输出。 关于这两个电阻值是否有规定？我在Linear公司网站上并未查到，理论上这两个电阻越大，则在电阻上浪费的功率越小，是否应该选择较大的电阻？但是实际使用中我看到的例子中电阻值都不是很大，请问这是为什么？有没有电阻值选择范围的指导？ 另外我在pspice仿真时发现，当电阻值大到一定程度的时候，请问是否如此？为什么？

　　A5：LT1083输出电压的准确计算公式是Vout=Vref（1+R1/R2）+50uA×R2. R2 是接地电阻。50uA×R2项是考虑ADJ端偏置电流的影响，在R2较大时不能忽略。以R1=10K， R2=4.4K计算，Vout=2.02V，非常接近仿真结果。实际应用时，R2阻值小于：Vout×1%/50uA，然后确定R1。

　　Q6：请教switch regulator 和linear regulator的区别及各自应用的场合。

　　A6：很多有关电源的书籍在这方面都有详尽的论述。概括地讲，linear regulator 的调整管工作在线性状态，根据负载的变化情况来调节自身的内电阻从而稳定输出电压。它只能做降压转换，电路简单，噪声低，转换效率可以简单地看作输出与输入电压之比，一般用于低压差，小功率的场合。switch regulator调整管工作在开关状态，通过调节导通和关断的时间比例稳定输出电压，可灵活实现电压的大小和极性的不同转换。良好的设计可实现较高的转换效率，电路相对复杂，存在开关噪声。在linear regulator不适用的场合都可以应用。

　　Q7：高ADC的电源供电较一般数字电路要求高得多，而现在系统中往往只有DC-DC转换器，它的输出电压也都为标准电压、+5V等，但纹波和噪声都较线性稳压器大。那么如何才能效率和性能兼得呢？

　　A7：首先， 有三种技术方案可供选择， 线性电源， 开关电容方案， 开关电感方案。这三种方案之间存在效率和噪声的折衷。系统设计师需要根据实际情况作出自己的权衡。对于开关电感方案， 首先要保证电源工作在一个良好的状态。这可以通过元器件选择， PCB布线和电源的动态特性设置来实现。其次可以通过选择适当的开关频率来减少由于电源的开关动作对ADC带来不良影响。

　　Q8：便携式设备的输入电源有时会有很宽的变化范围，例如一节锂电池的变化范围会在2.7V至4.2V，三节碱性电池会有2.4V到4.8V的变化范围，如果该设备还要接受AC适配器输入的话，上限可能还会高达7V至8V左右。对于如此宽范围的输入，要高效地获得稳定的3.3V主系统电源，简单的boost和buck变换器都无法胜任。凌特的3440解决了5v以内电池输入的问题，但仍然不能接受AC适配器输入，booster+LDO结构中，LDO的散热是个很大的问题，采用变压器时，线路会显得过于庞大，效率也不太理想。对于这样的问题，不知有何建议？

　　A8：如果系统使用单节锂电池，AC适配器的电压定在5+/-5%的范围比较好，既能减小锂电池充电器的损耗，又能使用低压的电源变换IC。如果使用低成本的AC适配器，因调整率差而使输出电压变化范围大，则只能增加系统电源变换线路的成本。SEPIC线路适合这类变换要求，但效率稍差。

　　Q9：在设计小功率反激式电源时，主变换电路的开关管用600V的MOSFET导通电阻较小，损耗小，效率高，而耐压余量小，价格便宜。如果用800V的MOSFET导通电阻较大，损耗大，效率低，而耐压余量大，价格较贵。如何能设计效率高而价格合适的小功率反激式的开关电源？还有别的模式的同类设计吗？

　　A9：如采用双管反激式变换拓扑可以用低电压的MOSFET开关管，缺点是驱动复杂，多用一只开关管。就目前而言，单管反激式因简单，成本低仍是小功率开关电源的变换方式，主开关管除了MOSFET，也可考虑IGBT。

　　Q10：充电泵能提供12V的充电电压吗？

　　A10：普通的电荷泵好象不能直接从2.7-5V电压直接转变成12V，但是可以把一个6V电压倍压成12V，但是噪声和驱动能力需要考察。

　　Q11：电源转换效率和整个产品低功耗设计的关系？在开发过程中，为了实现产品低功耗，开发工程师所能够支配的环节？

　　A11： 首先，我们可以考虑便携设备中的功耗分布。电源功耗常常是总功耗中的一个显着因素。所以提高电源效率，减少电源功耗，对于设计一个高效率的便携设备是非常重要的。为了得到一个高效率的便携设备，设计工程师要选择一个低功耗系统设计方案，以使系统的自身功耗比较低，还须认真考虑电源的方案，使其既能满足系统对其提出的各种限制条件，又能尽量做到高效率。