掌握電源IC特性 可攜式電源管理更上手
手機(jī)在市場(chǎng)上逐步開展成耗費(fèi)性產(chǎn)物，替代性適當(dāng)高,，產(chǎn)物生命周期短,。若不在最短的時(shí)刻內(nèi)開發(fā)最契合消費(fèi)者需求的產(chǎn)物，則獲利必定被緊縮,。因而工程師有必要知道各種電源辦理IC之優(yōu)缺陷與運(yùn)用方法，才能在最短的時(shí)刻內(nèi)發(fā)明最大的贏利,。
可攜式產(chǎn)物的電源通常是以鋰電池和鎳氫電池為主,，其特性如表1。由表1可知,，就單位體積或單位分量之蓄電量而言,，鋰電池優(yōu)于鎳氫電池，因而鋰電池便成為可攜式電源產(chǎn)物IC的最佳挑選,。
而舉動(dòng)電話的功耗大多數(shù)來自輸出電壓為1.1V～3.3V之間的電壓,，若由鎳氫電池的低電壓轉(zhuǎn)至高電壓,，則功率較差,。通常是以鋰電池的3.3V以上之電壓轉(zhuǎn)至3.3V以下之低電壓,，功率較佳,。因而當(dāng)挑選鋰電池之后，欲描繪的變換器大宗仍以降壓式變換器為主,。而降壓式變換器常用的電路架構(gòu)有三種,，分別為低壓降壓變換器(LDO)、電荷幫浦(Charge pump),、降壓變換器(Buck converter),。此外,，欲圖描繪上的便利，想在同一個(gè)電路上得到升壓或降壓的效果,，可挑選單端初級(jí)電感變換器(Single-ended Primary Inductor Converter, SEPIC),，以下將對(duì)準(zhǔn)對(duì)各種變換器逐個(gè)作引見。
低壓降壓變換器簡(jiǎn)略運(yùn)用
低壓降壓變換器(Low-Dropout, LDO)電路架構(gòu)如圖1,，其操作原理為,，當(dāng)輸入電壓VI>VO時(shí)，藉由晶體管吸收VI和VO的電壓差Vdropout=VI-VO,，并由回授操控電路操控以供給平穩(wěn)的輸出電壓VO,。由于晶體管操作于自動(dòng)區(qū)，其效果好像一個(gè)可變電阻,，即耗費(fèi)功率為P=I×Vdropout,，當(dāng)電壓差Vdropout和電流I愈大，則變換功率愈低,。
其特色如下：
(1)簡(jiǎn)略運(yùn)用：只須于輸入輸出端各加一個(gè)外部電容即可,。
(2)功率低：通常VI=Vout時(shí)可達(dá)85%，但是VI>Vout時(shí),，功率可滑落至25%以下,。
(3)無EMI或輸出漣波，可配合音頻(Audio)電路或射頻(Radio)電路運(yùn)用,。
(4)簡(jiǎn)略發(fā)熱,，溫度問題難解。
(5)代價(jià)廉價(jià),。
常用的低壓降壓變換器IC如LM317,、LM337、Texas Instrument的TPS6110x,、TPS6112x,、TPS6113x、Linear Technology的LT1963,、LTC1705,、LT1764、National Semiconductor的LP398X,、或MAXIM的MAX886X/887X/888X等都是,。(實(shí)際上，市場(chǎng)上所運(yùn)用的零件編號(hào)遠(yuǎn)多于以上所列,。)
電荷幫浦電路功率高
電荷幫浦(Charge pump)電路通常又稱為切換式電容變換器(Switched capacitor converter)包括二極管或切換開關(guān)與電容的切換網(wǎng)絡(luò),，圖2為電荷幫浦(Charge pump) IC之運(yùn)用電路，IC內(nèi)部具有兩個(gè)可控式開關(guān)與振蕩器,，其外部接兩個(gè)電容C1,、C2,，此電路亦可由離散組件組成如圖3(a)所示，只需一個(gè)振蕩器,，如NE555與一個(gè)邏輯非門,，如4009UB及兩個(gè)二極管D1、D2和兩個(gè)電容C1,、C2即可組成簡(jiǎn)略的電荷幫浦電路,。其舉措原理如下：
(1)若操控頻率為低態(tài)時(shí)，其非門輸出為高態(tài)其等效電路如圖3(b)所示,，此刻D1乃順向偏壓,，D2乃逆向偏壓，C1的跨壓Vc1最高可充電至Vc1 = (Vcc-Vd)的電壓量,，式中的Vd為二極管的順向偏壓,，此刻的電流方向如圖上的I所示。
(2)當(dāng)操控頻率為高態(tài)時(shí),，其非門輸出為低態(tài),，此刻C1的跨壓Vc1的正端適當(dāng)于接地，如等效電路如圖3(c)所示,，D1為逆向偏壓,，而D2為順向偏壓，接受方才的C1跨壓,，C2最高可充電至-(Vcc-2Vd)電壓,，其電壓對(duì)應(yīng)于接地是負(fù)的。
其間C1飛輪電容來回挪動(dòng),，電荷由輸入至輸出，而C2儲(chǔ)能電容穩(wěn)住電荷,，對(duì)輸出電壓有安穩(wěn)效果,。在此電路，可以操控頻率的充電周期來抵達(dá)想要的輸出,。
但是電荷幫浦的電路除應(yīng)用于降壓外,，仍可應(yīng)用于升壓，以MAXIM公司出品的IC編號(hào)MAX619的電荷幫浦IC為例,，如圖4所示,。
其舉措原理如下：
(1)當(dāng)開關(guān)SW1、SW3與SW7,、SW5導(dǎo)通(ON)而其它開關(guān)翻開(OFF)時(shí),，其C1、C2各充電至巨細(xì)約為VI的電壓,。
(2)承上個(gè)狀況,，當(dāng)開關(guān)SW2,、SW4、SW6導(dǎo)通而其它開關(guān)翻開(OFF)時(shí),，前狀況所充的約VI巨細(xì)的電壓和電容C1,、C2上的電壓串聯(lián)起來對(duì)C4電容充電而得到輸出電壓VO其最高可充至VI的3倍電壓。
MAX619的運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)則為當(dāng)輸入為1.8V～3.6V的狀況時(shí),，輸出可為5V,、20mA，并且輸入若大于3V時(shí),，輸出可為5V,、50mA，其耗費(fèi)功率如下列公式：
Power loss = Iout×[(2或3)VI-VO]
其耗費(fèi)功率端視擴(kuò)大后的電壓(2或3)VI和VO的差壓及輸出電流Iout巨細(xì)而定,，由于電路都是電容組件,，此電路的功率會(huì)比低壓降壓變換器(LDO)高得多，并且電路架構(gòu)不需求電感,，且其運(yùn)用電容可用陶磁電容即可,。因而電磁攪擾小，體積及代價(jià)上亦較電感低,，在可攜式電源的描繪傍邊占有極重要的人物,。
電荷幫浦(Charge pump)電路的特色如下：
(1)簡(jiǎn)略運(yùn)用：除輸入輸出端各加一個(gè)電源外，再加一個(gè)幫浦電容(C
pump)即可,。
(2)相較于LDO,，電路功率較高。
(3)低EMI或輸出漣波,。
(4)輸出電源的瓦數(shù)和VI/ Vout電壓比值受限,。
(5)代價(jià)中等。
除此之外,，常用的電荷幫浦(Charge pump)電路IC如Texas Instrument的TPS601XX～TPS603XX,、Linear Technology的LTC1682、LTC1516/17或MAXIM的MAX1570/1595/1912/1916和ON semiconductor的NCP5603等都是,。
降壓式變換器適用于高輸出電流描繪
降壓式變換器(Buck converter)的電路架構(gòu)如圖5(a)所示,，其舉措原理如下：
(1)當(dāng)Q1導(dǎo)通，Q2截止時(shí),，輸出電壓VI經(jīng)Q1對(duì)電感充電并供給電壓至VO,，電流方向如細(xì)虛線所示，此刻電感電壓VL= VI - VO,，電流線往上升,，如圖5(b)波形圖DT的區(qū)間，其間0
(2)當(dāng)Q1截止,，Q2導(dǎo)通時(shí),，電感的電壓反向,，對(duì)電容C及負(fù)載RL作放電，電流方向如粗虛線所示,。此刻電感的電壓為VL=-VO,，其電流線性往降低，如圖5(b)波形圖(1-D)T的區(qū)間,。當(dāng)完結(jié)一個(gè)周期時(shí)刻后,，再回到狀況(1)，循環(huán)往復(fù)的舉措,，由于電感電壓伏特─秒平衡的聯(lián)系,，圖5(b)波形所示之電感電壓波形上半部，面積適當(dāng)于下半部的面積,，故輸出與輸入之電壓聯(lián)系推導(dǎo)如下：
(VI -VO)DT=VO(1-D)T
VI DT-VODT=VOT-VODT
(具體圖表請(qǐng)見新電子233期8月號(hào))由于周期0
(3)功率最高,，溫度問題簡(jiǎn)略處理,。(4)高EMI或輸出漣波，在電路板規(guī)劃(Lay out)時(shí)要多注重,。(5)合適操作于輸收支電壓差較大的狀況(高Vout/ VI),。(6)適用于高輸出電流的場(chǎng)合。
常用的降壓式變換器(Buck converter)電路IC如Texas Instrument的TPS43000,、TPS40021,、Linear Technology的LTC3404、LTC3713,、LT1576或MAXIM的MAX1970,、MAX5073等都是。
單端初級(jí)電感變換器電路
適用于升壓與降壓
單端初級(jí)電感變換器SEPIC(Single-ended Primary Industry Converter)電路其架構(gòu)較為雜亂,，如圖6所示,，在此假定電感在晶體管Q導(dǎo)通或截止時(shí)，都處于伏特─秒平衡的狀況,，則電感的平均值電壓VL1，mean和VL2,，mean為0,，可知調(diào)配在電路中心的電容C左端經(jīng)L1觸摸VI，右端經(jīng)L2至接地,，電容C的電壓平均值為VC,，mean=VI- VL1，mean-VL2,，mean =VI,。
令T為晶體管Q之切換周期,，D為晶體管Q導(dǎo)通的職責(zé)周期，調(diào)查電感L1的伏特─秒平衡聯(lián)系可得下式：
DTVI= (1-D)T(Vout+Vd+Vc,mean-VI) = (1-D)T(Vout+Vd)則當(dāng)1>D>0.5時(shí),，而0.5>D>0時(shí),，< 1，可知SEPIC電路可以作升壓,，亦可作降壓的效果,，由于鋰電池的作業(yè)電壓規(guī)模為4.2V～2.7V，當(dāng)電池輸出電壓低于3.3V時(shí),，欲持續(xù)運(yùn)用此殘存的10%電量,，甚至VI為2.7V，則SEPIC變換器可以藉由作業(yè)周期D的改動(dòng)輸出安穩(wěn)的3.3V的電壓,，對(duì)可攜式電源而言是適當(dāng)便利的電源運(yùn)用方法,。
此電路的特色如下：
(1)不易運(yùn)用：需較電荷幫浦(Charge pump)電路多加兩個(gè)電感、一個(gè)電容和晶體管與二極管各一個(gè),。
(2)功率高,，但較降壓式變換器低。
(3)高EMI及輸出漣波,，在電路板規(guī)劃時(shí)要注重,。
(4)可做升壓與降壓運(yùn)用。
(5)可應(yīng)用于高輸出電流的場(chǎng)合,。(6)代價(jià)最高,，由于需求調(diào)配的組件數(shù)較多所形成的。表面上看來,，此電路可使電池的供電時(shí)刻添加,，但現(xiàn)實(shí)并非如此。依據(jù)表2,，對(duì)準(zhǔn)600mAh的電池所作的陳述來看,，盡管降壓式變換電路無法引用到電池電壓為3.3V～2.7V的區(qū)間，但是由于降壓式變換電路的功率較高的緣由,，形成電池的壽數(shù)周期是簡(jiǎn)直一樣的,。因而市場(chǎng)上的結(jié)合性電源辦理組件仍以降壓式變換器和LDO為干流。結(jié)合電源辦理導(dǎo)入第三代智能型手機(jī)第三代智能型手機(jī)方塊圖如圖7所示,，其間,，射頻單元的電壓操控振蕩器(VCO)與鎖相回路(PLL)需求低噪聲和高電源與噪聲的拒斥比，并加以保證傳輸效能,，因而有必要用LDO,，并且DSP和中央處理器之中心電壓，可以高功率之降壓式變換器履行之。此外,，屏幕背光照明所用的白光二極管,，可以電荷幫浦電路或降壓式變換器得到，但運(yùn)用切換式的降壓變換器要注重到其切換頻率與二次和三次諧波,，都保持在接收機(jī)的中頻頻帶之外,，不然易發(fā)生攪擾。以此種多組而雜亂的電源輸出為了思考到低成本,、小體積與削減描繪時(shí)刻的思考,，通常會(huì)將多組的電源結(jié)合在一起，這些零件具有非常大的便利性,，由于它思考到通常智能型手機(jī)所需求的各組與各品種的電源調(diào)配,，并組合成一個(gè)結(jié)合性的芯片，但其缺陷是一旦運(yùn)用后,，則被替代性不高,，當(dāng)缺料時(shí)，會(huì)是一大問題,。本文對(duì)準(zhǔn)一切可攜式電源辦理IC的電路作業(yè)方法及優(yōu)缺陷作淺顯易懂的討論,，讓運(yùn)用的工程師，在形形色色的DC對(duì)DC變換器中,，可以找到本人所需求的電路架構(gòu),，并且看到任何IC，都可以當(dāng)即反應(yīng)到其舉措原理,，并敏捷的決議零件的標(biāo)準(zhǔn),，關(guān)于想要知道電源變換器的初學(xué)者與內(nèi)行來說，都是很好的參閱數(shù)據(jù),。
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