简述如何选择适合电源应用的集成电路

1  引言

　　集成电路（integrated circuit，港台称之为积体电路）是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗和高可靠性方面迈进了一大步。

　　集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。它不仅在工、民用电子设备如收录机、电视机、计算机等方面得到广泛的应用，同时在军事、通讯、遥控等方面也得到广泛的应用。用集成电路来装配电子设备，其装配密度比晶体管可提高几十倍至几千倍，设备的稳定工作时间也可大大提高。

　　选择适合电源应用的集成电路（IC）看似很容易。然而随着多个电压轨的新型消费类电子产品的推出，这一任务就变得复杂。在选择适合工作的IC时，必须要权衡解决方案的成本、尺寸、电源、占空比以及输出功率等诸多因素。在选取电源应用集成电路时应按产品要求功能的重要性依次对这些因素排序。

2  电源应用解决方案

　　图1为电源应用解决方案。该方案采用便携式电源，要求尽可能低的功耗和较小尺寸，单节Li+电池（由12 V电源不间断充电）供电。希望解决方案的成本降至，但降低成本是以牺牲空间为代价，首先应满足空间要求，其次是效率，尽可能延长电池寿命。

3  选择拓扑

　　首先检测每个电源轨的电源要求，确定采用何种类型DC-DC转换器。

　　感应开关通常是高效应用的选择。感应开关电路是由开关元件、整流器、电感、输入和输出电容组成。应选择内置开关元件和整流器的IC来降低尺寸。

　　低压差线性稳压器（LDO）通过减少旁路器件两端的输入电压来降低直流电压。该拓扑仅需3个器件（旁路器件和输人／输出电容器）。通常LDO比较便宜，噪声比感应转换开关小得多。所有功耗都在于旁路器件，这意味着LDO不是输入-输出压差较大的大电流应用的理想解决方案。大功率应用需散热装置，这样就增大了尺寸。

　　电荷泵采用“飞”电容作为储能元件，实现升压／降压或直流电压反向，并采用内部开关连接电容器以进行所需的DC-DC转换。电荷泵的输出功率是有限的，瞬态响应受到“飞”电容充电速率限制。此外，在输入电压接近输出电压的应用中，其效率通常极低。

　　为了进一步减小解决方案尺寸，有多种多电源输出器件可供选择。这些器件通常内置MOS场效应晶体管（MOSFET），且所需少的外部元件。这些器件可能较昂贵，在实际应用中减少了所必须的外部元件，这样就能抵消IC的高成本问题。

4  采用何种拓扑

　　考虑到应用的空间限制，LDO是选择。然而，由于功耗和效率的制约，实际上LDO并非总是选择。对于5 V、2 A的电源轨而言，需选用一个开关转换器，在这种情况下，LDO的功耗极大（14 W）。因此，对于这种情况，感应式降压转换器则是的选择。接下来研究电池充电器。电池山5 V电源充电。当所选择的电池峰值充电电流深度放电后，电压降至3 V，就必须要关注，而且要限制电池充电器的散热。

　　对于1.50 V的电源来说，可选择开关降压转换器或LDO。选择LDO时，效率将在25％以内，并要求100 mA的输入电流。而选用开关降压转换器，效率超过90％，需要30 mA输入电流。许多采用超小型的开关转换器的解决方案可提供所需的输出功率而且尺寸不可能超过LDO电路。采用基于1.50 V电源的逻辑分析方法，选用开关转换器，但是，根据下面讨论的其他冈素表明应选用LDO。对于3.3 V电源，由于要求大输出电流，因此开关转换器是选择。

5  为实际工作需要选择适合的IC

　　考虑到其尺寸和成本限制，应选择高集成IC。因此，所选用IC都内置MOSFET。这样就可减小尺寸，降低成本。除节省材料成本外，还减少了元件数量，降低了印制板组装成本。

　　若再次从5 V电源轨分析电路，对于5 V电源轨，TPS5431是解决方案。TPS5431具有的宽输入电压（5.5～23 V）可支持12 V+10％的输入，输出电流高达3 A，低至1.2 V的可调输出电压。TPS5431集成有开关的MOSFET和补偿元件，效率达95％，符合电池电源需求。该器件采用SO-8封装，可实现超小型解决方案。

　　分析电池充电器，有多种方案可供选择。具有3 mm QFN封装的小型电池充电器IC bq24010是选择。由该充电器构成的解决方案尺寸小，仅需3个外部元件，但在具体的应用中还可采TPS65010型Li+电池供电系统的电源和电池管理器件。应用中，VMAIN提供3.3 V电源，VCORE提供1.25 V电源，LDO1提供1.65 V电源，LDO2提供2.5 V电源。采用TPS65010可大大减小解决方案尺寸以及外部元件数。1.50 V电源可由降压开关。该器件采用5引脚SOT-23封装，仅需3个外部元件（输入／输出电容、电感及2只反馈电阻）。

6  终的解决方案

　　基于以上讨论，终电源解决方案如图2所示。

7  无I2C接口

　　如果应用中无I2C接口，则无法使用TPS65010。这种情况下可采用TPS75003。TPS75003内置2个3 A开关式DC-DC降压转换器和1个300 mA LDO。该器件的输出电压可根据需要调节，集成有3条电流的电源轨。开关转换器提供1.25 V和3.3 V电源。采用TPS76925的大尺寸、低成本解决方案可提供1.65 V电源。

8  系统效率差异计算

　　假设所有电压轨始终处于工作状态，而实际情况却很少如此。在采用感应转换开关应用场合，为尽量减小解决方案尺寸，可选择LDO。利用输出占空比判断各个电压对解决方案效率的影响。首先，将每个电源的有效功率相加，计算有效的总

　　例如，如果确定3.3 V、420 mA电源轨由开关转换器提供，且占空比仅为10％，则用LDO替代开关式转换器时，总效率下降幅度将不会超过0.75％。当输出占空比增加时，须研究解决方案尺寸与效率的变化关系，以确定方案。

9  结论

　　在许多不同的DC-DC转换方案之间，选择的解决方案是一项棘手的工作。必须反复权衡占用空间、输入功率、输出功率、占空比和成本等因素，以确定解决方案。首先可按功能的重要性对各因素排序，然后基于这些要求选择适合每个输出的拓扑。针对各输出选择高性价比的解决方案。