为紧凑型PCMCIA卡选择合适的超薄DC-DC转换器

不断缩小的电子电路对电源提出了跟上步伐的要求。PCMCIA卡格式迫使设计人员考虑转换器拓扑结构，并密切关注满足超薄设计要求的组件。本教程讨论PMICIA卡的转换器设计。对于超薄设计，本文推荐使用线性稳压器、电荷泵和基于电感的开关稳压器。分析了几种转换器拓扑的弱点。

除了必须最大限度地降低噪声、实现高效率并避免上电期间的浪涌电流外，电源设计人员还必须遵守PCMCIA卡上元件的严格高度限制。用于PCMCIA卡的DC/DC转换器具有一系列应用，可产生一系列转换要求。应用包括闪存器件的 12V 生成、模拟电路的 -5V 生成以及 3.3V 至 5V 和 5V 至 3.3V 转换。其中一些应用的出现是由于5V不耐受的DRAM芯片和3.3V PC卡标准的出现。

这些应用的潜在电源电路包括线性稳压器;电荷泵;以及降压、升压、反激和反相开关模式稳压器。稳压器控制方案包括线性、自由运行、脉宽调制 （PWM） 和脉冲频率调制 （PFM）。相互冲突的设计要求包括低高度、小面积、低成本、高效率、低浪涌电流，以及在某些情况下的低EMI辐射。

3.3V至5V的转换是一个关键的DC/DC转换器应用，因为PCMCIA 3V/5V工作组准备发布3.3V PC卡标准，该标准计划于2月发布。该标准取代了1.3版，并允许仅以3.5V运行的主机系统。它指定硬件密钥，以防止在仅 3.3V 的主机插槽中插入仅 3V 的卡，反之亦然。为了与各种主机系统兼容，PC 卡的 Vline 应接受来自主机的 3.5V 或 3V。但是，许多卡不接受3.<>V，需要升压DC/DC转换器才能实现更高的电压。

将3.3V升压至5V的电路包括PWM升压稳压器、PFM升压稳压器和电荷泵。电荷泵（图1a）是最小、成本最低的选择。您可以制造具有薄型的电荷泵，因为这些泵没有电感器或变压器。然而，电荷泵在3.3V时的半负载效率仅为75%，比基于电感的开关稳压器产生的效率低10%至12%。

在工作时，电荷泵将外部电容器充电至不同的电压，然后并联。由此产生的损耗导致电荷泵效率在很大程度上取决于输入输出电压的比值。效率与输入电压的关系图在V时出现峰值外是 V 的偶数倍数在 (图1b）。在任何情况下，75%的效率与1型PCMCIA卡上的电感开关稳压器所达到的效率相当，因为扁平电感器固有的高直流电阻。与基于电感的电路不同，电荷泵的效率是恒定的，负载电流小至1mA。

图1.由于电荷泵（a）具有低成本和小尺寸的特点，因此可能是3.3V至5V转换器的不错选择。电荷泵的效率与输入电压的关系（b）显示一条曲线，该曲线在输入电压的偶数倍处达到峰值。

电荷泵中的众多大电流开关限制了其相对于电感电路的输出电流能力。但是，开关允许您通过并联电荷泵来获得更高的电流。此外，电荷泵在启动时吸收的浪涌电流比大多数电感电路小，并且在关断模式下输出电压降至零，这与电感升压电路不同。电荷泵还提供快速启动，这有助于系统在休眠模式后实现快速内存访问。

高开关频率允许您在电荷泵电路中使用小电容器。该电路包括一个可选的V抄送-旁路MOSFET，可在V时提高3V/5V系统的效率抄送为 5V。最坏情况下负载条件下的启动时间为500μs，相应的峰值浪涌电流为600mA。通过使用PWM或其他门控时钟信号在启动期间驱动芯片的关断引脚一两毫秒，可以进一步改善启动条件。

基于电感的稳压器非常高效

与其他稳压器拓扑相比，基于电感的升压稳压器具有几个关键优势。首先，升压稳压器简单高效。它们电感和输入源的串联辅助连接提供比其他选项（如反激式和正激式转换器）更低的峰值电感电流。低峰值电流允许使用小型电容器和电感器，具有低I²损耗并提供高效率。低电阻提供更好的效率，但通常需要更大、更昂贵的组件。

高浪涌电流和无法关断电路抵消了基于电感的升压稳压器的优势。您可以添加具有慢导通特性的可选高边开关，以适应这些缺点。升压稳压器（图 2）采用 PFM 控制环路，利用小型外部元件提供出色的轻负载效率。噪声和EMI辐射高于传统的PWM稳压器。静态电源电流在 V 时的平均电流仅为 50μA在= 3.3V，相对较高的开关频率（300kHz）允许使用5μH或更小的低值电感器。

图2.使用最大高度为 1.2mm 的组件，您可以设计超薄 3.3V 至 5V PFM 升压稳压器。

PFM升压电路的另一个特点是其扁平封装，可容纳1型PCMCIA卡。除肖特基整流二极管外，所有组件均为超扁平，最大高度为1.2mm。该二极管是摩托罗拉的500mA铬势垒型，采用SOD-123封装，最大高度为1.35mm。对于 Type-1 卡，二极管不够平坦，除非您偏移卡盒中的印刷电路板。稳压器IC封装为SOT-144，最大高度为1.1mm。

其他组件包括PFET开关，这是德州仪器的低阈值器件，采用TSSOP（最大高度为1.1mm），具有高CV产物的扁平保形涂层钽电容器（Sprague最大高度为1.2mm），以及Coiltronics的宝石状平面铁氧体电感器（高度为1.19mm）。超薄电感器具有高直流电阻（约 0.5 μhm），效率比适用于 II 型 PCMCIA 卡的高电感器低 5%。

通常，只有当卡包含RF接收器或其他带有开关稳压器的敏感模拟电路时，噪声和EMI才会成为问题。在这种情况下，可以使用固定频率PWM升压稳压器，例如170kHz MAX751，其谐波不会干扰接收器的频段。另一种选择是使用PFM稳压器，它产生的噪声频谱比PWM稳压器更宽。因此，PFM稳压器不会干扰大多数PC卡上的数字电路。脉冲跳跃PFM稳压器产生的随机频谱可在任何一个频率下产生较少的噪声。此特性有助于 FCC 认证。

控制浪涌电流

浪涌电流与电源电压上升时间是设计PCMCIA卡电源时的一个重要权衡因素。对于许多系统而言，稳压器中的高峰值电流限值允许更快的上升时间，这反过来又允许系统在从深度睡眠或断电状态返回时更快地访问存储器。然而，高峰值电流在上电时会产生高浪涌，因为稳压器试图通过将大电流倾倒到输出电容中来纠正其反馈误差。

升压稳压器增加了启动尖峰（通常为20μs脉冲，为2A或更高），通过源极、电感和整流器的串联连接为输出电容充电，从而加剧了浪涌电流问题。当启动尖峰加入输入电容的浪涌电流时，总电流很容易超过10A（图3）。对于许多小型系统，电流尖峰会使旁路电容不堪重负。对于其中许多系统，电流尖峰可能导致监视器出现电源故障、激活重置以及在系统尝试切换 V 后重新启动计算机抄送到卡上。

图3.不带高端开关的升压稳压器的输出电压（2V/格的上部波形）（a）和输入电流（下部波形为2A/格）。V电路响应在= 3.3V 和 R负荷= 25 微欧姆。水平刻度为 100μs/div。具有慢速高边开关的升压稳压器的输出电压（2V/格时为上限波形）（b）和输入电流（下部波形为500mA/div）。水平刻度为 500μs/格。

抑制浪涌电流尖峰的最佳方法是添加一个高端开关（图 4）。该开关是一个逻辑电平p沟道MOSFET，加上栅极电路中的一个RC网络，用于延迟导通。在栅极-漏极结两端增加米勒电容可进一步降低PFET的开关速度。要将启动延迟200μs，请控制IC的关断引脚。停机引脚允许旁路电容器的输入浪涌电流在使能开关稳压器之前建立。

图4.您可以使用 FET 开关来抑制浪涌电流尖峰，该开关的导通特性因 RC 时间常数而延迟。

高端开关还解决了升压转换器在开关稳压器关断时输出电压无法完全关断的问题。相反，V外骤降至等于 V 的电压在减去二极管压降。此电压电平可能会在挂起和待机模式下无意中为 PCMCIA 卡供电。高边开关通过断开电源与电路的连接来阻止不需要的电源。

软启动是降低启动时浪涌电流的另一种方法。软启动电路通常包括一个外部定时电容器，允许稳压器的峰值电流限制逐渐上升。当与慢响应输入开关结合使用时，软启动功能为在输出上升时间与输入浪涌电流之间进行权衡提供了一种解决方案。

可承受 5V 电压的降压型稳压器

当装满低压IC的卡必须承受5V输入才能与仅5V主机兼容时，降压稳压器非常重要。降压型设计的权衡是选择使用线性稳压器或开关稳压器。线性稳压器体积小且价格便宜，所需滤波电容器的低值降低了浪涌电流。它们的缺点是效率低。如果忽略基极电流和静态电流，线性稳压器的效率理论上等于V外/V在，对于 66V 至 5.3V 转换器，为 3%。基于PFET的电路（图5a）接近理论效率，因为它没有pnp基极电流，静态电流低至7μA。

在开关稳压器中，降压拓扑在降压应用中明显优于反激式和单端初级电感转换器（SEPIC）。与升压稳压器类似，降压稳压器的峰值电感电流水平相对较低，因此可实现高效率和小开关元件。

如果不提及卡上 V ，则对存储卡电源的讨论是不完整的Q-1用于闪存卡和固态磁盘驱动器的生成。虽然大多数便携式主机系统可以提供足够的电压Q-1为卡连接器上的 12V 引脚供电，12V 是 PCMCIA 规范中的可选电平。为了与一系列主机系统兼容，您可能需要从 V 添加卡上转换抄送至 12V。

12V转换器的设计目标与3.3V至5V转换器的设计目标相似：低成本、小元件和低浪涌电流。效率不那么重要，因为VQ-1编程器在低占空比下工作，其中 VQ-1电流遇到间歇性负载，仅在编程和擦除操作期间发生。您可以将电荷泵用于低电流应用，将升压拓扑开关用于高功率水平。

图5b显示了一个12V升压稳压器，该稳压器采用脉冲跳跃PFM控制方案，可实现高负载电流。电路是自举的，这意味着IC的输出电压提供电源电压。其结果是内部n沟道功率MOSFET的栅极驱动电压水平较高，从而提供了低导通电阻和高效率。

图5.这种基于PFET的线性稳压器（a）接近其理论效率，因为它具有低静态电流且无基极电流。用于闪存的 12V 升压稳压器 （b） 采用脉冲跳跃 PFM 控制方案。

PCMCIA卡电压范围很宽

虽然PCMCIA卡通常需要两个电源，但PCMCIA格式应用的多样性打开了卡上的潜在电压转换范围。例如，在RF发射器输出级采用GaAs FET的无线PCMCIA卡需要-4.1V的低噪声负偏置电压。电压施加到砷化镓FET功率晶体管的栅极，以偏置器件以实现线性操作。直流电源必须是低噪声的，因为栅极的扰动会调制RF信号并产生杂散边带。

您可以通过使用未稳压的自由运行电荷泵反相主机电源来完成电压转换至-4.1V。通过使用pnp线性稳压器进行后置调节来滤除开关噪声（图6a）。自由运行的波形会产生比稳压电荷泵更高的静态电流，但噪声仍保持在固定频率，您可以轻松滤除。该 IC 内置线性稳压器，在 -5.4V 时产生 1mA 电流，噪声和纹波仅为 1mV。

产生3.3V至5V之间的电源电压是一项挑战，通常需要反激式转换器或SEPIC。采用 5V 和 3V 主机工作的要求排除了降压和升压转换器。在高 V 下在电压、升压稳压器跟随输入并提供过压，在低 V 时在，升压稳压器压降并允许输出骤降。反激式和SEPIC电路工作，但高V电压外-to-V在比率产生高水平的峰值电流，需要大型变压器或电感器。

升压稳压器提供串联辅助源-电感连接，避免了反激式和SEPIC拓扑的缺点。缺点是当V在高，拉起V外通过串联电感整流器连接，这可能导致V处的过电压外.PFM升压/降压电路（图6b）填补了账单。该电路为升压稳压器，其内部pnp有源整流器在高输入电压下成为伪线性稳压器。该特性提供升压/降压动作和完全关断 （V外= 0V）。该电路还通过将整流二极管引入IC来节省空间。

图6.自由运行的电荷泵电路（a）会产生负电压，以偏置无线PCMCIA卡中的GaAs FET。升压/降压转换器 （b） 产生 3V 至 5V 的中间电压。

隔离电源是PCMCIA卡上可能发生的另一种配置。医疗、仪器仪表和 LAN 接口卡使用隔离电源。对于小型隔离电源，最佳的开关稳压器拓扑是反激式和直流变压器类型。反激式稳压器类似于升压稳压器;图7中的示例是一个直流变压器。该电路通过将直流电转换为交流电并将其施加到中心抽头变压器的初级端，将能量穿过栅极。由于变压器以正向而不是反激模式工作，因此其磁芯不储存能量，因此可能很小。

图7.隔离电源需要变压器将输出电压与输入电压隔离。该稳压器将直流电压转换为交流电压，以正向驱动直流变压器。

在研究了各种电源设计之后，这些小型卡内电源的首选应该是线性稳压器，然后是电荷泵，然后是基于电感的开关稳压器。升压和降压拓扑是基于电感的电路中最好的。如果可能的话，避免使用反激式稳压器，因为它们的变压器储存能量，因此具有大磁芯。如果必须隔离，请使用直流变压器。

为了获得最佳轻负载效率，请选择脉冲跳跃PFM控制架构而不是PWM类型。一个例外是低噪声模拟电路的设计，它要求您避免敏感频段的频谱污染。不要低估减少浪涌电流的重要性。这个问题一直困扰着设计师。

最后，请留意用于薄型电源的新组件和技术。本文中讨论的元件和IC很少在一年前存在。市场压力应确保IC和元件制造商继续开发PCMCIA应用的产品。

审核编辑：郭婷