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DC/DC开关电容稳压器提升便携电源效率

2013-09-25 08:50
雷本祖
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  手持式装置核心处理器的供电电压日益降低,但要兼顾效率与电池寿命,却是另一项挑战。在降压转换过程中最常利用的是开关稳压器和LDO稳压器,但缺点在于尺寸太大,LDO如电压偏离值很大时,转换效率就骤降,开关电容稳压器为新兴技术,结合开关电容器和LDO优点,可整合至可携式应用中。通常开关电源的效率问题是目前大家比较关心的问题,那么怎么提升这个效率呢,且看下文。

  设法降低核心处理器的供电电压是手持式装置的全新技术趋势之一,而在降压的同时,也必须兼顾以更高效率延长电池寿命的需求。目前这些装置裡有多种新功能都有降压转换需求,如应用处理器、记忆体和射频(RF)设计等,从负载和空间参数两项考量来看,目前在此类应用上最流行的解决方案,即採开关稳压器和低压降 (LDO)稳压器。

  如只从效率考量,开关稳压器是最佳的选择,然当电子零件高度和解决方案的尺寸限制超出电感器使用範围时,转换器就可能改採LDO或开关电容(SC)稳压器形式,电源解决方案通常无法提供较多电路板空间,但开关稳压器可提供比LDO和开关电容稳压器更大的解决方案尺寸。

  我们利用DC/DC开关电容稳压器来提升电源的效率,那么开关电容器都有哪些优点呢?

  开关电容器可保持给定负载效率

  随着VIN的上升,由转换器产生的VIN和VOUT间的能量增加将引起功率耗损和效率下降。解决此问题所採取的模式为转变一个更高的效率增益,如同汽车替换档位一般。开关电容器类比设有一个类比增益控制和变化,以保持给定负载效率持续性,开关电容器具离散增益步骤,由VOUT/(增益×VIN)来给定效率,且这些效率取决于离散增益,一个LDO仅拥有一个增益及3者中最低的效率,开关电容器稳压器则有3个不同的电压增益,即2/3、1/2和1/3。

  从SC稳压器随着VIN的增长可看出,电压增益变化从2/3~1/2及1/2~1/3,因此整个负载範围的效率达最大化,带来锂离子电池电压範围 3.4~3.8伏特上80%的功率,在相同应用中的LDO却仅达到50%效率,随电感器种类不同,典型的开关稳压器应具有88~90%效率。

  传统上,稳压器乃依据有效数量进行比较,但由于锂离子电池特性,要根据时量效率或锂离子电池充分放电所需时间来判定,根据经验,运用200毫安培的负载电流,使用典型开关稳压器,可比使用开关电容稳压器持续时间多出6~8%,假设最大负载与微处理器中的情况一样,仅表现到时间的20~30%,则电感开关和开关电容稳压器间操作时间的差别可忽略。

  须在效率与成本之间取舍

  开关电容稳压器的更多增益可能会增加少许效率,但却须要增加更多外部电容器和内部场效电晶体(FET),促使成本上升,同时也增加解决方案尺寸。上述增益可透过两个外部电容器或快速电容器(CFLY)取得,这些电容器用于储存电荷,并将电荷从VIN传输到VOUT,除快速电容,还需一个输入电容器 (CIN)及输出电容器(COUT),输入电容器指示电压波纹,而输出电容器控制输出电压波纹,依VIN和VOUT可接受的波纹标準值,CIN和COUT 值的一般範围是从1~10微法,且CFLY的数量通常比COUT少,外部电容器透过内部的功率FET在不同的配置中连接到晶片。

  为利用开关电容稳压器来调节输出电压,可考虑使用脉波频率调变(PFM)或脉波宽度调变(PWM),开关电容稳压器的输出阻抗与开关频率和内部功率FET 的电阻成比例。透过调製输出阻抗,可再透过转换器对给定负载进行降压;使用回授,即能控制频率或内部FET阻抗,以调节输出电压,而PFM方案为较传统方法。

  在PFM类系统中,输出电压如高于一个指定值,稳压器即进行关机控制,至输出电压降到所需值以下时再重新开机,使用PFM控制模式的优势是操作电压取决于 VIN和ILOAD,同时两者皆可调整。负载越高、操作频率就越接近指定频率,但此操作範围内的频率变化可能不适用某些可携式应用,输入电压波纹也取决于 VIN和ILOAD,图5显示250毫安培和30毫安培负载的输出波纹。10微法COUT的输出波纹将为50毫伏特,可看到250毫安培负载的波纹频率高于10毫安培负载的波纹频率。

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