用性能换取便携式电源成本

在便携式应用中选择最佳电源架构的一般指南。下表显示了应用于不同输入输出电压比时各种架构的相对优缺点。文中对每种体系结构进行了更详细的讨论。

更高的性能和更长的电池寿命是相互矛盾的期望 这给便携式和无线设计人员带来了越来越大的挑战 设备。价格侵蚀和小型化需求往往会增加 挑战，迫使解决方案妥协。好在介绍 的新电源通过提供 新的架构和更好的性能。

电源设计中最重要的参数是成本、效率 （电池寿命）、输出纹波和噪声以及静态电流。桌子 图1说明了五个电源在这些参数之间的权衡 架构和 V 的五种组合在/V外范围。提请注意这些的优点和缺点 架构，下面的讨论也指出了一些令人惊讶的问题 表中的结果。

 

	低成本	高效率	低噪音	低电流
VIN >> VOUT
LDO Linear	A	D	A	A
Charge Pump Reg.	B	B	A	D
Charge Pump + LDO	C	B	A	D
DC-DC Buck	C	A	C	B
Buck + LDO	D	B	A	C
VINMIN = VOUT
LDO Linear	A	B	A	A
DC-DC Buck	C	A	C	B
Buck + LDO	D	D	A	C
Boost + LDO	D	B	B	C
Buck/Boost	D	B	D	C
VINMIN < VOUT < VINMAX
Charge Pump Reg.	B	B	C	C
Charge Pump + LDO	C	D	A	D
Boost + LDO	D	A	B	C
Buck/Boost	D	B	D	C
VINMAX = VOUT
Charge Pump Reg.	B	C	C	C
Charge Pump + LDO	C	C	A	D
DC-DC Boost	C	A	D	B
Boost + LDO	D	B	B	C
VIN << VOUT
Charge Pump Reg.	B	C	C	C
Charge Pump + LDO	C	C	A	D
DC-DC Boost	C	A	D	B
Boost + LDO	D	B	B	C
*A = 优秀，B = 良好，C = 一般，D = 差<

 

低压差 （LDO） 线性稳压器

LDO具有最低的成本、最低的噪声和最低的静态电流 使其成为许多应用的可靠选择。其外部组件 最小：通常是一个或两个旁路电容器。最新的 LDO 产品 显著提高性能，当然不是以下全部 在同一器件中可用：30μVrms 输出噪声、60dB PSRR、 6μA 静态电流和 100mV 压差。

效率，虽然很差，但当V在比 V 大得多外，变得非常 高时 V在方法五外.在这种情况下，LDO的好处几乎是 无法击败。事实上，许多电路转换锂离子电池电压 至 3V 使用 LDO，尽管必须丢弃 10% 或更多的电池 放电结束时的容量。尽管有这种妥协，LDO电路 对于此应用，在低噪声架构中提供最长的电池寿命。

电荷泵

基本电荷泵成本低，只需要几个外部电容器， 并且通常效率约为 95%。恒定开关动作， 但是，会产生输出噪声和高静态电流。作为另一个 问题，电荷泵输出仅产生输入电压的精确倍数。 例如，具有四个内部开关和一个外部跨接电容器， 这些倍数限制为 +2x、+1/2x 和 -1x。电路加倍 提供其他倍数，但代价是降低输出功率或 更大的费用和静态电流。基本电荷泵很少连接 直接到电池。相反，它们通常会产生次级电压 来自现有监管机构。

电荷泵和 LDO

电荷泵和LDO架构避免了精确电压的问题 乘法。它还降低了输出噪声，但以牺牲效率为代价。 这种效率损失可小可大，具体取决于相对 输入和输出电压的大小。例如，效率 将两节镍氢电池转换为3V输出的计算方法如下：

电荷泵效率不是此表达式中的一个因素，因为任何 这种效率低于100%会导致电荷泵输出下降， 这降低了LDO的输入电压，从而改善了LDO的 效率。

电荷泵稳压器

采用脉冲频率调制 （PFM） 或脉宽调制 （PWM），较新的电荷泵稳压器无需 LDO。与电荷泵/LDO方法相比，稳压电荷泵 成本更低，在PFM模式下提供更低的静态电流，但它 具有相同的效率和更大的输出噪声。一些实现 根据需要更改乘法因子来提高效率。

例如，从两节碱性电池转换为 5V 使用 +2 倍乘法，当电池充满电并自动切换 当电池电压降至2.5V以下时，至+3倍。在降压/升压应用中， 另一个电荷泵可能从 +1x 开始表示降压，然后切换到 +2x 对于降压 提高。这种复杂的稳压电荷泵仍然是相对的 在半导体行业很少见。

直流-直流转换器

提供降压、升压、降压/升压和反相拓扑、DC-DC 转换器提供高效率、高输出电流和中低电平 静态电流。另一方面，它们会产生输出纹波和开关 噪声。由于它们更复杂，它们也更昂贵 控制方案和对外部电感器的需求。

近年来，对亚微米芯片制造的推动力有所减少 成本惩罚以多种方式进行。一、导通电阻越低 在许多应用中，MOSFET 消除了对外部 FET 的需求 通过实现更高的输出功率。现在有可能，例如，对于 具有 3.6V 输入和片上 NFET 的升压转换器，可产生输出 5V 时为 2A。其次，用于中低功率的小芯片尺寸 应用允许使用小型且廉价的包装。第三 更快的开关频率（高达1MHz）降低了成本和物理性能 外部电容器和电感器的尺寸。最后，更好的控制方案 增加了有价值的功能，如软启动能力、电流限制、 以及可选的 PWM 或 PFM 操作。

直流-直流降压转换器

在几乎所有应用中，V在大于 V外、直流-直流 降压转换器比LDO效率更高。尤其如此 当 V在远大于 V外，例如，在转换 单节锂离子电池输出至1.8V。展出的DC-DC降压转换器 一些输出纹波和开关噪声，但这些伪像不如 与其他 DC-DC 拓扑一样严重。控制方案的一个显着进步 是实现高达100%的占空比，使电路 以实现低压差性能。

带 LDO 的 DC-DC 降压转换器

将 DC-DC 降压转换器与 LDO 结合使用在应用中非常有用 其中高效率和低噪音是优先考虑的。这种安排， 但是，仅在 V在大大大于 V外.如果 最小值 V在方法五外，单独LDO应该提供类似的效率 和更低的压降，通常会导致相同或更好的电池寿命 成本低得多。

直流-直流升压转换器

DC-DC升压转换器最重要的特点是LDO 无法执行相同的功能。最接近的竞争对手是受监管的 电荷泵，效率较低，输出功率较低。在 另一方面，升压转换器具有众所周知的高输出纹波和开关 噪声。它们还需要更好的控制方案，以消除振荡 在输出端并减少由于寄生电阻引起的效率损失 在 MOSFET 开关和外部组件中。

DC-DC 升压转换器和 LDO

将DC-DC升压转换器与LDO结合使用有两个优点：它 实现低噪声升压功能（效率略有下降） 与没有LDO的噪声升压器相比），它执行降压/升压 功能效率高得惊人。典型的降压/升压应用 将一个锂离子电池的输出转换为3.3V。效率非常高， 因为电池的大部分寿命都在 3.6V 附近，允许升压器 空闲并为LDO提供近乎理想的输入电压。这个系统 此外，与 传统的SEPIC转换器。由于有利的特性 在这种安排中，有几种单芯片实现可供选择 适用于 DC-DC 升压转换器和 LDO 架构。

图1.为了在同一芯片上提供高效率升压和降压/升压输出，MAX1705和MAX1706 IC集成了PWM升压DC-DC转换器和低压差（LDO）线性稳压器。这些器件专为灵活性而设计，允许使用单个 Li+ 电池或一个、两个或三个 NiCd、NiMH 或碱性电池供电。

直流-直流降压/升压 H 桥转换器

具有提供最高降压/升压效率的潜力， DC-DC H桥转换器值得进一步开发。它需要 只有一个电感器，但H桥电路需要两个功率FET 开关和两个整流器。这是 DC-DC 降压的两倍 或升压转换器。迄今为止，这些额外的组件及其相关组件 控制电路使价格居高不下。此外，额外的开关 损耗将效率限制在低于升压加LDO的效率 建筑。尽管如此，进一步的技术发展是可能的 以提高性能，然后这种体系结构可能会变得更加流行。

审核编辑：郭婷