開(kāi)關(guān)電容穩(wěn)壓器 (06-100)

　　當(dāng)今移動(dòng)電話產(chǎn)業(yè)日益增長(zhǎng)的趨勢(shì)是要減少對(duì)核處理器電壓供應(yīng)，同時(shí)要滿足達(dá)到更高效率以擴(kuò)展電池壽命的要求。越來(lái)越多應(yīng)用都要求降壓轉(zhuǎn)換，如應(yīng)用處理器、存儲(chǔ)器和RF塊設(shè)計(jì)都被列在其中。根據(jù)負(fù)載和空間參數(shù)，目前，用于這個(gè)應(yīng)用空間的兩個(gè)最流行的解決方案是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和低壓降(LDO)穩(wěn)壓器。

　　從效率的角度看，一個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器就是最佳的選擇。然而，當(dāng)部件高度和解決方案的尺寸限度超出了電感器的使用范圍時(shí)，一個(gè)轉(zhuǎn)換器可能會(huì)采用LDO(低壓降)或開(kāi)關(guān)電容穩(wěn)壓器的形式。多數(shù)時(shí)候電源解決方案都不能提供較多的板上空間，一個(gè)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器就會(huì)有一個(gè)比LDO和開(kāi)關(guān)電容穩(wěn)壓器更大的解決方案尺寸。圖1將典型的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器與LM2770(一個(gè)典型的開(kāi)關(guān)電容穩(wěn)壓器)在解決方案尺寸上進(jìn)行比較。我們可以看到顯示出來(lái)的開(kāi)關(guān)電容器的解決方案尺寸大約為45mm2，當(dāng)所要求的電壓與電池電壓相近的時(shí)候LDO的工作效率是最高的，但當(dāng)電壓的偏離值很遠(yuǎn)時(shí)，LDO效率就會(huì)很低。想象一下以一個(gè)充電至3.6V的Li-Ion電池，為一個(gè)僅要求1.5V電壓的微處理器供電。把電池電壓與一個(gè)1.5V LDO相連接可為微處理器產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定和小的電流，但是功耗是相當(dāng)顯著的。LDO消耗功率(PD)等于負(fù)載電流(ILOAD)與輸入和輸出電壓的差相乘(PD = ILOAD *(3.6-1.5) = ILOAD *2.3V)。換句話說(shuō)，LDO作為一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器在這個(gè)例子中僅產(chǎn)生42%的效率。這意味著LDO不得不消耗剩余功率，而且這能引起裸片溫度的一個(gè)大的增高，這個(gè)溫度進(jìn)而可能會(huì)引起可靠性的問(wèn)題。

　　由于具有電壓增益的關(guān)系，一個(gè)開(kāi)關(guān)電容穩(wěn)壓器是比線性穩(wěn)壓器更有效的解決方案，這個(gè)電壓增益是通過(guò)在雙相位(充電相位和傳輸相位)中的堆疊電容器和并行電容器所取得的輸入電壓與輸出電壓比率。例如：位于增益配置中的一個(gè)開(kāi)關(guān)電容轉(zhuǎn)換器的1/2將把一個(gè)3.6V的輸入電壓(VIN)轉(zhuǎn)變?yōu)?.8V的輸出電壓(VOUT)。如果要求的電壓(VOUT)是1.5V，那么功耗僅為300mV與負(fù)載電流的乘積。這相當(dāng)于83%的效率。

　　隨著VIN的增長(zhǎng)，由轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的VIN和VOUT 間的增量增長(zhǎng)引起功率消耗的增長(zhǎng)和效率的下降。解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)方式是轉(zhuǎn)變成一個(gè)更高的效率增益，就像給汽車替換齒輪一樣。圖2顯示了一個(gè)開(kāi)關(guān)電容器降壓穩(wěn)壓器，一個(gè)LDO及一個(gè)開(kāi)關(guān)電容器的效率曲線。開(kāi)關(guān)電容器具有一個(gè)模擬增益控制和增益變化以保持一個(gè)給定負(fù)載效率的持續(xù)性。開(kāi)關(guān)電容器并具有離散增益步驟，由VOUT/(增益 *VIN)與離散增益來(lái)決定效率的高低。一個(gè)LDO僅有1的增益及三者中最低的效率。開(kāi)關(guān)電容器(SC)穩(wěn)壓器則有三個(gè)不同的電壓增益(2/3，1/2和1/3)。我們可以看到，開(kāi)關(guān)電容穩(wěn)壓器隨著VIN 的增長(zhǎng)，電壓增益從2/3轉(zhuǎn)到1/2以及從1/2到1/3，因此整個(gè)負(fù)載范圍的效率達(dá)到最大化。這就帶來(lái)了在Li-ion 范圍上(3.4V到3.8V)80%的效率。在相同應(yīng)用中的一個(gè)LDO僅能達(dá)到50%的效率。根據(jù)電感器種類，一個(gè)典型的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器大約具有88-90%的效率。