引言
便携式消费类电子产品小型化的趋势继续在业界发展，随之而来的便是电池及其相应容量可用空间不断下降。同时，开发商业上可行的、能量密度更高从而补偿电池空间降低的电池化学技术的相关工作则大幅减慢，这对工程师提出了许多设计挑战，要求他们开发的解决方案既能实现更多的功能，又能保证更长的操作与待机时间。
因此，高效电源管理就成为电子设计中至关重要的因素。有三个设计考虑用以解决功效问题。首先，电池管理技术可提供工作时间长的电池;其次，处理器与外设等耗电系统组件管理可根据所需的系统性能进行功耗管理;第三，功率转换过程本身也能将变化的电池电压转换为几个恒定的系统电压。
本文将讨论上述第三种设计领域中的有关问题，并探讨实现 DC/DC 高效转换的现有技术以及相应的效率、空间和成本的综合衡量考虑等问题。

功率转换需求
目前，许多便携式应用都采用锂离子电池，这种电池在所有化学充电电池技术中提供了最高的能量密度，从而使电池的外形缩小。移动电话中单电池的电压从满到空通常在 4.2V~2.7V 之间，大部分放电周期中的电压约为 3.7V。便携式 DVD 播放机中串联电池双配置的电压范围为 8.4V~5.4V。单个碱性电池电压范围为 1.5V~0.9V。许多应用要求几个电压轨来支持多种系统组件。常见的电压轨为：针对处理器内核的低于 1V 的电压轨，针对存储器的  2.5V 与 3.3V 电压轨，针对扩展接口(如 Compact Flash 或 USB)的 5V 电压轨，以及针对 LCD 偏置电压或白色LED背光电路系统且超过 20V 的电压轨。根据应用所需各种因素的综合考虑，可得到几种功率转换备选方案。

LDO 稳压器
将电压降至下一级的最简单方法就是使用 LDO稳压器。LDO 根据负载电阻调节其调整元件(如 PMOS 晶体管)的内阻，从而在稳压器输出提供恒定电压。由于 LDO 采取线性调节方案，因此几乎没有输出纹波，从而非常适用于对供给音频放大器、RF 电路系统或摄像机 CCD 感光器的“噪声”开关模式稳压输出进行后置滤波。应特别注意噪声以及电源抑制比 (PSRR) 的有关规范，这点非常重要。转换效率由输出电压与输入电压之比决定。LDO 在 3.7 V 上生成 3.3 V 存储器轨时效率高达 89%，但在相同电池的 3.7 V 轨上生成 1.1 V 内核电压时效率就会大幅下降至 29%。这就意味着输入稳压器的功率有 71% 都作为热量散发了。功率损耗的概略值可由输入/输出电压差与通过线性调整元件电流的乘积获得。这里应考虑在何种应用中使用 LDO，这点相当重要。如果成本与尺寸是最关键的设计因素，那么对电流需求低于 2A且输入/输出电压差较低的应用而言，线性稳压器将是最佳选择。
LDO 通常只需要一个低成本的陶瓷输入/输出电容，它可支持很小的解决方案操作。但是，技术还在不断发展。目前采用的凸起芯片级等超薄封装的线性稳压器扩展了 LDO 自身的优势，利用其解决方案尺寸很小的特点，只需要几个平方毫米的面积就能实现超小型解决方案。新式稳压器甚至通过先进的内部电路设计取消了输入/输出电容器，从而进一步减小了解决方案的尺寸。图 1 显示了安装在 3×3 mm2板级空间的解决方案，其输出电流高达 250mA。

开关充电泵稳压器
就要求电压“升”(升压)或“升降压”(升压与降压)功能的应用而言，其转换模式不能采用 LDO，但成本与板级空间仍很重要，这时就可采用充电泵稳压器来提供可行的解决方案。与 LDO 类似，充电泵稳压器也能产生负电压并使输入电压下降，它通常能够提供更高的功效，但其价格也较高。
充电泵也被称作开关电容电压转换器，是采用“快速”或“泵式”电容器而不是电感器或变压器来存储能量的 dc/dc 转换器。内部 FET 开关阵列控制着“快速”电容器的充放电，因此输入电压会乘以或除以 0.5、2、3 或 4 等系数，然后再进行线性调节，从而生成所需的输出电压。这种独特的调制方案可实现高达 90% 的效率。如欲评估有效的转换效率，特别是在电池供电系统中进行评估的话，就应了解充电泵应用的输入/输出电压差，因为转换效率将显示出上述升降压作用。图 2 显示了来自单体碱性电池的 3.3 V 固定输出调节，其以 20mA 的电流放电，电池完全充电时电压为 1.6V，所有可用电池容量耗尽时电压降至 0.85V。充电泵开关在电池达到1.2V时从 3x 模式转换至 4x 模式，此时效率将由 90% 降至 70%。这样，该图显示的充电泵在输入电压为 1.2V~1.3V 范围内产生 3.3V 输出的效率最高(80%~90%)。该效率情况就充电泵不同而有所差异，因此必须对其数据表规范进行详细评估，从而明确转换点。
由于该功率转换拓扑包括频率在 MHz 范围内的开关晶体管，因此充电泵还产生一些输出纹波，还可能产生 EMI。某些充电泵拓扑部署了双充电泵架构(如图 2 所示)以及额外的线性输出电压调节，以降低EMI 与纹波。集成充电泵实际的输出电流大小限制在 400mA以内，基本由集成开关晶体管阵列大小以及外部“快速”电容器限制。电感 DC/DC转换对较高的输出电流可能更经济些。

电感开关稳压器
带有集成开关 FET 的电感开关模式 DC/DC 转换器采用电磁线圈存储能量，在所有DC/DC转换方法中提供了较高的功率转换效率。尽管对相当的输出电流而言，该架构比大多数线性解决方案以及某些充电泵解决方案需要更大的板极空间，它适用于超过 300mA 的电流应用，而且可以实现逆向、降压、升压或降-升压拓扑。功率转换效率高将降低散热并简化热管理，也不再需要体积大且昂贵的额外散热片，特别是在与 LDO 解决方案相比时更是如此。转换效率最大达 97%，这优化了电池寿命，从而也延长了操作时间。
较高的功率转换效率归功于以下几种特性。一般说来，DC/DC转换器用 PWM方案控制其晶体管导通。通过改变占空比、晶体管开关时间比以及电感器的能量存储容量，使输出电压电平在限定的输入电压与负载电流范围之内保持为常量。FET 导通电阻与电感器 DC电阻越低，损耗就越少，转换效率也就越高。由于在低负载电流时 PWM 控制效率降低，高级转换器可将操作模式转换为 PFM，以保证转换效率在整个负载范围内都很高。就固定开关频率非常重要的应用而言，许多设备都提供“强制 PWM 模式”，从而最小化 RF子系统的干扰。
没有集成 FET 的 DC/DC 转换器通常称作控制器。控制器让设计人员可选择带有特定参数的外部 FET 开关并根据应用需要调节电流，从而提供了较高的灵活性。图 3 显示了经济高效的 DC/DC控制器解决方案，它适用于输出电流在 2A~3A 的范围。对于电流更高的 6A应用，可以采用额外的驱动器电路以提供足够的门驱动。其它控制器器件也能够驱动数十安培范围内的电流。
高级电路设计与封装技术可以集成开关晶体管与二极管，对于 3×3mm2 TSOT-2 或芯片级封装的 400mA 到 TSSOP-28 封装大于 10A 的输出电流，均能实现开关模式 DC/DC解决方案。为了进一步提高集成度，可以将数个 DC/DC转换器或 DC/DC控制器、转换器、充电泵以及 LDO 组合到一个封装中，从而实现了极小型的高效解决方案。
图 4 显示了上述“结合式”器件的一个例子。基于 OLED技术的新一代显示器件可用于手机 ID 显示，它需要正负电压及在 200mA 范围内的较高电流。利用 1.4MHz 的高开关频率信号激活两个非常小的 4.7mF 电感器，在无引线 4×4 mm2 QFN 小型封装中，可在 2.7V~5.5V 的输入电压与 800mA 的开关电流限制内实现15V与-12V的升压功能，从而进一步减小板级空间。
 
结语
目前便携式应用设计人员在为其功率转换需求选择LDO稳压器、电容充电泵或电感开关模式 DC/DC 稳压器时，需要权衡许多因素——总成本、功效、集成度、设计灵活性以及封装。每种设计方法都有其优缺点。■