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擁有線性穩壓器特性的下一代DCDC轉換器

2019-11-09 09:06:14来源:励志吧0次阅读

拥有线性稳压器特性的下一代DC/DC转换器

今天的不断向小型化和薄型化发展这点毫不奇怪,技术尺寸方面的多数进展是一个关键问题,可以决定产品开发的命运由于移动器件的尺寸不断变小,元件尺寸和元件数量也必须如此随着每个元件周围的空间缩小,元件的布置变得更加重要干扰与“低噪声安置”成为工程师工作的一部分小于0.6mm的元件现已成为标准要求但是,有一些限制因素正在制约这种尺寸缩小的趋势第一个因素是每增加一个新特点,其功耗也要相应增加最明显的例子是,10年前显示屏的功耗不到50mW,今天已上升到150mW-200mW,预计几年后将上升到mW此外,还有多媒体处理器、相机模块、电视调谐器等等,很容易看到为什么的功耗不断增加不幸的是,电池技术跟不上这种需求的步伐锂离子能量密度只增长了一倍,从100Whr/Kg左右上升到了 200Whr/kg左右,而功耗却增长了三倍即使考虑到了密度方面的改善,今天普通电池的尺寸与前几年一样,甚至比前几年还大,而通话时间和待机时间却变短了考虑到所有这些因素,容易看出电源管理在今天的移动产品中扮演着越来越重要的角色

电源管理器件的类型

作为一个例子,让我们看看的心脏——基带处理器中的基带处理器传统上利用低压降线性稳压器( LDO)供电LDO的优点是在各种条件下的输出噪声偏差都很低,尺寸很小,容易使用,而且不会在电池上产生可能影响其它元件的反射噪声,外部元件较少 LDO的缺点是其效率通常低于DC-DC转换器,而且效率随着芯片组电压要求的下降而下降,但电池电压保持不变随着功能对于功率的需求不断增加,许多设计师正在采用DC-DC转换器来代替LDO,以提高效率和维持电池寿命

DC-DC转换器为设计师提供了一种可行的替代方案;它们在广泛的负载范围内具有高效率,LDO在这方面无法与之相比但是,DC-DC转换器在其它所有方面几乎都逊于LDO,它的尺寸较大,较难使用,需要更多的外部元件,而且产生更多的噪声最大的外部元件是电感为了使DC-DC转换器有效地运行,该器件必须以较高的频率开关一个存储元件,通常是一个电感这个功能必然产生噪声,并使稳压器的尺寸变大这种“噪声”可以转移到它所供电的器件,也就是基带处理器,从而引起系统问题它也可能沾染电池,进而导致噪声扩散到的每个部位为了降低这种现象,设计师必须增加电容和电感等额外的过滤元件,以隔离和抑制噪声这将扩大产品尺寸和提高复杂性同时也需要对电路板的空间进行认真规划,以使敏感区域远离DC-DC转换器,并尽可能在与之隔绝噪声并不是总可以预测的,而在设计大批量消费产品时,可预测性和对风险采取保守对策是极其重要的

图1所示为用于的LDO及传统的DC-DC转换器之间的差异

理想的电源管理元件

从效率角度来看,显然DC-DC转换器是电源管理的未来方向挑战在于降低DC-DC转换器的尺寸,使之成为象LDO那样的小型、简单、低噪声和便宜器件要求移动产品小型化的市场力量和需求,将迫使出现这种情况

为了搞清楚如何实现这个目标,让我们先看一下构成DC-DC转换器的器件最大器件是电感电感是一个开关存储元件,因此不仅尺寸大,而且会产生磁场,从而在电路板设计中引起噪声问题显然,电感的面积和高度必须缩小,以接近理想的LDO类型的产品我们再看看DC-DC转换器的功能,以及为什么电感的尺寸需要做得这么大图2所示为一个非同步降压DC-DC转换器的基本运行移动DC-DC转换器通常是天生同步的,用MOSFET代替二极管以提高效率为了便于理解,利用一个非同步降压转换器来介绍运行情况

开关具有开关两种工作模式,每秒开关的次数就是开关频率当开关关闭时,能量就被输送到输出负载并存储在电感里面当开关打开时,存储在电感中的能量被传送到输出开关的开与关之间的比率被称为负载循环,控制该比率就能控制输出电压从图2可以看出,电感电流由两部分组成第一个是DC输出电流,第二个是开关电感引起的电流德耳塔IL德耳塔IL主要由E=Ldi/dt决定此处的E是开关关闭时电感上的电压(输入电压减输出电压),di是德耳塔 IL,dt与开关频率成反比德耳塔IL实际上是个多余部分,它流过输出电容器、二极管并产生噪声,并在开关开通时为开关造成额外的损失为一个给定的设计选择电感,完全是在德耳塔IL、噪声有损失之间进行平衡但有一件事是明确的:对于给定的输入与输出电压,开关频率是决定电感值的主要因素开关频率越高,即dt越低,则电感越小

不幸的是,提高开关频率会造成很大的负作用主要是DC-DC转换器的效率会下降这个理由很简单开关利用一定的能量来开和关这部分能量其实是一种损失,因此每秒开关次数越多,能量损失越大,总体效率就越低控制这种“损失”是提高开关频率的关键

今天流行的DC-DC转换器针对工作频率为MHz的移动产品在1Mhz的开关频率下,通常需要使用4.7uH的电感,频率为MHz时电感可以降到.5uH左右图3所示为电感尺寸与移动产品开关频率的关系可以看到,为了接近与LDO相当的尺寸,电感需要小于1uH这样就可以把开关频率设定在6MHz以上最先进的500mA 0.47uH 电感采用0805外壳尺寸,高度为0.55mm

从图3可以看出,在开关频率为8MHz时,会令人想到把电感放置在IC封装之中电感高度目前小于0.6mm这方面存在一些挑战

高频开关面临的挑战

我们前面讲过,与高频开关有关的损耗会增加图4所示为采用2.2uH电感处于传统的2MHz频率下的DC-DC转换器的损耗,以及采用0.47uH电感频率为8MHz时的损耗

可以明显看出,在传统的移动DC-DC频率2MHz,开关引起的损耗仅占总体损耗的20%左右总体损耗约为200mA,是移动器件的典型输出电流但在 8MHz时,开关损耗会上升到40%以上降低开关损耗是能够在高频开关的关键,也是能够集成到封装之中的小型电感的前提

建议解决方案

Micrel公司推出了它的第一代“L Free”DC-DC转换器,首款产品是MIC3385它的开关频率是8MHz,电感集成到3mm x 3mm MLF封装之中在设计时考虑到降低开关损耗,从而使开关损耗上升导致的效率损失最小图6所示为MIC3385的简化结构图,图7为实际尺寸

MIC3385的基本结构是频率恒定的PWM转换器,带有一个并联LDO在输出负载处于待机时,LDO充当轻负载模式这种混合式设计提供了极其出色的噪声性能,并使多能够轻松地过渡到高频

如前所述,MIC3385经过优化,可以在较高的频率上开关而且电感值较低图8显示了结构相同的2MHz转换器与8MHz频率的MIC3385的效率从中可见,在200mA电流上效率只下降4%这对于显着降低设计的尺寸和复杂性来产,是可以接受的折衷

对于高频DC-DC转换来说,除了降低开关损耗以外,还有其它一些挑战最大的挑战是设计出具有足够高的带宽的控制回路,以使输出电压在快速瞬载下保持稳定,同时仍采用小型陶瓷输出电容器MIC3385做了这点,它采用了一种获得专利的方法——通过并联LDO获得所需的高带宽MIC3385的DC- DC转换器和LDO都提供全输出电流,以允许从一种状态到另一种状态实现几乎无缝的转变;具有最小的输出电压偏差图9所示为MIC3385在重负载瞬态条件下的输出电压偏差,并与比较传统的DC-DC方案进行了比较重负载瞬态条件在移动器件中是常见现象可以看出,MIC3385 8MHz架构的表现大大优于传统结构,从而为设计稳定性创造了较大的空间

噪声方面的优点

DC-DC转换器的电感在运行和开关时产生磁场设计时必须考虑电感的安置,以避免引起干扰例如,把电感安置在敏感的音频元件附近,可能引起有害的干扰把它放置在功率放大器附近,则可能降低器件的灵敏度并导致兼容问题.电感越大,这些问题越难以控制MIC3385的电感较小,安放位置尽可能接近 DC-DC裸片这使高频功率回路尽可能地短,与具有外部电感的低频DC-DC相比,降低了EMI噪声这与直觉有点矛盾,因为一般认为较高的频率会产生较大的噪声

总结

结果显示,第一代8MHz开关频率的DC-DC转换器是可行的,提供了一种有益的解决方案,在移动设计中受到欢迎该设计显示出低噪声、快速瞬态响应和高效率,所有这些优点都使DC-DC转换器更接近LDO解决方案随着移动设备的功率和尺寸要求继续加强,市场中将出现更多的集成器件

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