近年来,DC/DC开关调整器的工作频率范围介于20kHz到几兆赫兹之间。虽然更高的开关频率成为业界共同追求的目标,但是工程师们却担心这会导致效率的大幅度降低。近期业界推出了第一颗频率高达8MHz的拥有低压差线性调整器(LDO)轻负载模式的降压调整器。与工作频率为1MHz的调整器相比,该解决方案的电感器体积缩小了超过90%,同时却保持出色的总体转换效率。

    DC/DC开关调整器是在两个直流电压之间进行转换的有效手段。例如,锂离子电池的放电电压在4.2~2.7V之间变化,DC/DC开关调整器能够将其转换为一个稳定的1.8V电压,为微处理器供电。同时保证高于90%的转换效率。这非常重要,尤其是在电池供电的电路中。

    线性调整器同开关调整器一样能够降低和调节输入电压的大小,只是效率较低。线性调整器的效率定义为输出电压和输入电压之比。例如,4.2V的输入电压通过线性调整器后,产生1.8V的输出电压,则该线性调整器的转换效率仅为43%。尽管线性调整器的效率较低,但是现在的手机仍在各处使用10~25个这些效率较低的线性调整器来实现DC/DC转换。这是由于线性调整器与开关调整器不同,它们不需要通常体积较大的电感器来实现电压转换(见图1)。

    一直以来,开关调整器的工作频率范围为20kHz到数MHz。开关调整器电感的体积与其工作频率成反比。一个工作频率为500kHz的降压调整器通常情况下使用的是10uH范围的电感器;1MHz的降压调整器通常使用4.7uH的电感器;而2MHz的降压调整器通常使用的是2.2uH的电感器。一个持续提供500mA电流的小外形尺寸的4.7uH电感器通常占位面积为一个边长为3~4mm的正方形,并且高度为1.8mm甚至更高。再加上典型的开关调整器IC的封装大小(如3x3x0.85mm)与500mA的线性调整器(如Micrel小巧的2x2x0.85mm大小的MIC5319(该方案比典型解决方案的尺寸的1/5还要小))相比,要大得多。

    为了满足空间敏感应用中对越来越小的电感的需求,领先的模拟IC供应商提供了频率更高的降压调整器。TI公司于2004年推出了一款频率为3MHz的器件;随后,凌特科技和Maxim公司在去年也分别推出了频率为4MHz的器件。开关频率介于3-4MHz之间时,电感值能够降低到1uH,因此电感体积也会相应地缩小到3x3x1.2mm左右。截至目前为止,想要找到一个电感值为1uH并且高度远小于1mm的小的表贴电感是不可能的。

    2006年,Micrel公司通过提供业界第一个8MHz的降压调整器,打破了电感值1uH的最低值记录。该解决方案的特点在于拥有一个电感值为0.47uH,体积仅为1.25x2x0.55mm的小型片状电感器。与1MHz的解决方案相比,该调整器的电感器体积缩小了95%(见图2)。如图2所示,这也是电感器首次比开关调整器IC封装本身还要小。

    在该解决方案出现以前,速度为8MHz的DC/DC开关调整器被认为是不可达到的,因为电源设计师们担心随着频率的提高,效率也会相应降低。开关调整器的效率损失由传导损耗和开关损耗组成。传导损耗受提供的电流及功率场效应晶体管阻抗影响,其不受频率影响;开关损耗包括栅极驱动和体二极管传导造成的损耗,电源每开关一次就会消耗固定数量的电能。因此,每秒钟内电源开关的次数越多,这些损耗值随频率而变化的元件所消耗的功率就越大。

        图1：可调节输出电压的DC/DC开关调整器和线性调整器的典型电路

        图2：随开关频率的增加,解决方案体积和高度的比较
 
    为了避免8MHz降压调整器的性能受到随频率影响的开关损耗的影响,Micrel公司通过使用一个高速的BiCMOS专利技术解决了效率问题。该技术在频率更高的状态下仍能使电源开关次数减少。图3是2MHz降压调整器(MIC2205)和8MHz降压调整器(MIC2285)的效率比较。这两种产品拥有同样的内核设计,它们的主要不同之处在于工作频率不同。如图所示,工作频率更高并不会导致效率的大幅度降低。

    图3：2MHz和8MHz调整器在有负载时的效率差别

    噪声性能和轻负载效率

    在固定的高频率工作的主要优势在于其频率很容易被过滤,因为滤波器元件变得非常小。此外,在蜂窝网络和高速DSL中,如此高的频率允许用户处于主要的传输频带之外,以避免干扰。在高频以固定频率工作能够提供极好的噪声性能,手机处于待机模式时通常具有低负载的电流,而开关损耗却导致了整体效率大幅度地降低。为了解决该问题,Micrel公司的MIC2285提供了LDO轻负载模式,通过使用一个称为LOWQ的引脚就可以切换到这种模式。图4为MIC2285的一个概念方框图。

           图4：MIC2285的概念内部方框图

    LDO与DC/DC变换器并联在一起,通过一个逻辑电平信号触发LOWQ引脚,LDO就能够提供能量输出。

    在便携应用中,处理器在休眠模式中消耗最小的电流。在这种模式下,由于LDO只消耗20uA的极低的静态电流,因此具有很高的效率。

    LDO模式的另一优势在于其工作时噪声很小。基带处理器及DSP对输出电压有严格的要求。当处理器从休眠模式被唤醒并进入全功率模式时,LDO采用最小的输出电容就能够提供所需的电流阶跃,然后开关调整器再取代LDO为处理器供电。现在业界通常所使用的其它调整器采用的是轻负载脉冲频率调制(PFM)方案。当其达到良好的轻负载效率时,瞬态响应就会出现问题,并且在整个频率范围之内都会产生不可预知的噪声。这不但加大了设计成本,同时也导致解决方案体积增大很多。

    图5为与具有PFM模式轻负载方案的业界标准降压调整器的对比。

                       图5

    如图5所示,在负载小于1mA的情况下,业界标准部件提供的轻负载模式具有超过150mV的噪声。当负载电流约为30mA时,该器件会转变成PFM模式,同样会制造出很大的噪声。而且在PFM模式转为PWM模式的过程中,会产生最大的输出电压偏离。为了滤除噪声,需要使用很大的输出电容,但这会加大成本投入,同时导致设计出的产品体积增大。相反地,MIC2285却能够在负载情况发生变化的情况下,表现出稳定的输出电压。

    本文小结

    手机正在持续演进,体形变得越来越轻薄和小巧,同时功能在不断加强。这使得用效率高、体积小的DC/DC开关调整器解决方案取代低效率的线性调整器变得越来越重要。Micrel公司的突破性的8MHz开关调整器能够使电感体积缩小90%以上,同时却仍能保证整体的高效率,并且提供杰出的瞬态性能,从而展示了该产品的生命力。