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技術(shù)文章
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掌握電源IC特性 可攜式電源管理更上手

第三代智能型(3G)手機來勢洶洶,業(yè)者無不卯足全力開發(fā)新的功用聯(lián)系到手機上,比如音樂播放機(MP3)、數(shù)字相機、全球定位體系(GPS)、電視體系、播送體系、視訊電話等,當(dāng)功用愈多時,對電源需求的質(zhì)與量就相對愈高。本文將對準(zhǔn)各種電源辦理IC的舉措原理作淺顯易懂的引見,并闡明各大廠商所主推之離散式及結(jié)合式電源體系。
手機在市場上逐步開展成耗費性產(chǎn)物,替代性適當(dāng)高,產(chǎn)物生命周期短。若不在最短的時刻內(nèi)開發(fā)最契合消費者需求的產(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)缺陷與運用方法,才能在最短的時刻內(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,想在同一個電路上得到升壓或降壓的效果,可挑選單端初級電感變換器(Single-ended Primary Inductor Converter, SEPIC),以下將對準(zhǔn)對各種變換器逐個作引見。
低壓降壓變換器簡略運用
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,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區(qū),其效果好像一個可變電阻,即耗費功率為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)簡略運用:只須于輸入輸出端各加一個外部電容即可。



(2)功率低:通常VI=Vout時可達(dá)85%,但是VI>Vout時,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)電路運用。



(4)簡略發(fā)熱,溫度問題難解。



(5)代價廉價。



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。(實際上,市場上所運用的零件編號遠(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之運用電路,IC內(nèi)部具有兩個可控式開關(guān)與振蕩器,其外部接兩個電容C1、C2,此電路亦可由離散組件組成如圖3(a)所示,只需一個振蕩器,如NE555與一個邏輯非門,如4009UB及兩個二極管D1、D2和兩個電容C1、C2即可組成簡略的電荷幫浦電路。其舉措原理如下:



(1)若操控頻率為低態(tài)時,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,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,其電壓對應(yīng)于接地是負(fù)的。



其間C1飛輪電容來回挪動,電荷由輸入至輸出,而C2儲能電容穩(wěn)住電荷,對輸出電壓有安穩(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,其C1、C2各充電至巨細(xì)約為VI的電壓。



(2)承上個狀況,當(dāng)開關(guān)SW2、SW4、SW6導(dǎo)通而其它開關(guān)翻開(OFF)時,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的運用標(biāo)準(zhǔn)則為當(dāng)輸入為1.8V~3.6V的狀況時,輸出可為5V、20mA,并且輸入若大于3V時,輸出可為5V、50mA,其耗費功率如下列公式:



Power loss = Iout×[(2或3)VI-VO]



其耗費功率端視擴大后的電壓(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,且其運用電容可用陶磁電容即可。因而電磁攪擾小,體積及代價上亦較電感低,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)簡略運用:除輸入輸出端各加一個電源外,再加一個幫浦電容(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,輸出電壓VI經(jīng)Q1對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,電感的電壓反向,對電容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)一個周期時刻后,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
(具體圖表請見新電子233期8月號)由于周期0 降壓式變換器的特色如下:(1)運用上需加電感與外部的MOS FET。(2)代價較高。
(3)功率最高,溫度問題簡略處理。(4)高EMI或輸出漣波,在電路板規(guī)劃(Lay out)時要多注重。(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。
單端初級電感變換器電路
適用于升壓與降壓
單端初級電感變換器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,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,而0.5>D>0時,< 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,欲持續(xù)運用此殘存的10%電量,甚至VI為2.7V,則SEPIC變換器可以藉由作業(yè)周期D的改動輸出安穩(wěn)的3.3V的電壓,對可攜式電源而言是適當(dāng)便利的電源運用方法。
此電路的特色如下:
(1)不易運用:需較電荷幫浦(Charge pump)電路多加兩個電感、一個電容和晶體管與二極管各一個。
(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)劃時要注重。


(4)可做升壓與降壓運用。

(5)可應(yīng)用于高輸出電流的場合。(6)代價最高,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刻添加,但現(xiàn)實并非如此。依據(jù)表2,對準(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)周期是簡直一樣的。因而市場上的結(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第三代智能型手機方塊圖如圖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刻的思考,通常會將多組的電源結(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所需求的各組與各品種的電源調(diào)配,并組合成一個結(jié)合性的芯片,但其缺陷是一旦運用后,則被替代性不高,當(dāng)缺料時,會是一大問題。本文對準(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,讓運用的工程師,在形形色色的DC對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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