便携产品电源芯片的应用技术

便携产品电源系统设计要求
便携产品电源设计需要系统级思维，在开发由电池供电的设备时，诸如手机、MP3、PDA、PMP、DSC等低功耗产品，如果电源系统设计不合理，则会影响到整个系统的架构、产品的特性组合、元件的选择、软件的设计和功率分配架构等。同样，在系统设计中，也要从节省电池能量的角度出发多加考虑。例如，现在便携产品的处理器，一般都设有几个不同的工作状态，通过不同的节能模式(空闲、睡眠、深度睡眠等)可降低功耗。
选用电源管理芯片力求高集成度、高可靠性、低噪声、抗干扰和低功耗。选用具有新技术的电源芯片，将新的电源芯片应用于新的设计方案中去，是保证新产品先进性的基本条件，也是便携产品电源管理的永恒追求。

a. 典型布线方案

b. 优化布线方案

图1 布线电路方案

图2 布线的设计技巧

图3 Buck开关式DC/DC稳压器PCB设计

图4 锂电池保护电路
LDO线性低压差稳压器
LDO线性低压差稳压器是最简单的线性稳压器，由于其本身存在DC无开关电压转换，所以它只能把输入电压降为更低的电压。它最大的缺点是热量管理能力较差，因为其转换效率近似等于输出电压与输入电压的比值。例如，一个驱动图像处理器的LDO输入电源是从单节锂电池标称的3.6V，在电流为200mA时输出1.8V电压，那么转换效率仅为50%，因此，缩短了电池工作时间。虽然就较大的输入与输出电压差而言，确实存在这些缺点，但是当电压差较小时，情况就不同了。例如，如果电压从1.5V降至1.2V，效率就变成了80%。
当采用1.5V主电源并需要降压至1.2V，为DSP内核供电时，开关稳压器就没有明显的优势了。实际上，开关稳压器不能用来将1.5V电压降至1.2V，因为无法完全提升MOSFET(无论是在片内还是在片外)。标准低压差稳压器也无法完成这个任务，因为其压差通常高于300mV。理想的解决方案是采用一个非常低压差(VLDO)稳压器，输入电压范围接近1V，其压差低于300mV，内部基准接近0.5V。这样的VLDO稳压器可以很容易地将电压从1.5V降至1.2V，转换效率为80%。因为在这一电压上的电流通常为100mA左右，那么30mW的功率损耗是可以接受的。VLDO的输出纹波可低于1mVP-P。将VLDO作为一个降压型开关稳压器的后稳压器就可确保低纹波。
　　
开关式DC/DC升/降压稳压器
当输入与输出的电压差较高时，开关稳压器避开了所有线性稳压器的效率问题。它通过使用低电阻开关和磁存储单元实现了高达96%的效率，因此极大地降低了转换过程中的功率损失。
选用开关频率高的DC/DC转换器可以极大地缩小外部电感器和电容器的尺寸和容量，如超过2MHz的高开关频率。
开关稳压器的缺点较少，通常可以用好的设计技术来克服。但是电感器的频率外泄干扰较难避免，设计应用时需要考虑其EMI辐射。
开关式DC/DC升/降压稳压器按其功能分成Buck开关式DC/DC降压稳压器、Boost开关式DC/DC升压稳压器和根据锂电池的电压从4.2V降低到2.5V能自动切换升/降压功能的Buck-Boost开关式DC/DC升/降压稳压器。

电荷泵(Charge Pump)
电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升，采用电容器来储存能量。电荷泵无需电感，但需要外部电容器，工作于较高的频率，因此可使用小型陶瓷电容器(1F)，使占用空间最小，使用成本低。电荷泵仅用外部电容即可提供±2倍的输出电压。其损耗主要来自电容器的ESR(等效串联电阻)和内部开关晶体管的RDS(ON)。电荷泵转换器不使用电感，因此可以忽略其EMI辐射。输入端噪声可用一个小型电容滤除。它的输出电压是生产时精密设定的,调整能力是通过后端片上线性调整器实现的，因此在设计时可按需要增加电荷泵的开关级数，以便为后端调整器提供足够的活动空间。
　　
LDO的内部结构
在LDO电流主通道内部有一个MOSFET和过流检测电阻，肖特基二极管作反相保护，输出端的分压电阻取出反馈电流，用于控制MOSFET的流通电流，EN使能端可从外部控制它的工作状态，内部设置过流保护、过温保护、信号放大、POWER-OK和基准源等电路。

LDO的应用
低压差稳压器的应用与三端稳压一样简单，一般在输入、输出端各加一个滤波电容器即可。电容器的材质对滤波效果有明显影响，一定要选用低 ESR的X7R/X5R 陶瓷电容器。
LDO布线
LDO布线设计的要点是降低PCB板上的噪声和纹波，布线是一项技巧加经验的工艺性工作，也是设计成功的关键。图1说明了如何进行布线设计，掌握好电流回流的节点，有效地控制和降低噪声和纹波。图2说明了PCB布线的设计技巧，被推荐的布线方案解决了电流回流路径不良引起的噪声和纹波等问题。

Buck开关式
DC/DC降压稳压器
Buck开关式DC/DC降压稳压器采用恒定频率、电流模式降压架构，内置主(P沟道MOSFET)和同步(N沟道MOSFET)开关。PWM控制的振荡器频率决定了它的工作效率和使用成本。

DC/DC稳压器
布线的设计技巧
图3给出了Buck开关式DC/DC稳压器PCB设计的实例，特别需要注意：
SW与L1距离 <4mm
Cout与L1距离 <4mm
SW、Vin、Vout、GND 的线必须粗短。
要设计一个运行稳定和低噪声的高频开关稳压器，需要小心安排PCB的布局结构，所有的器件必须靠近DC/DC稳压器。

电荷泵应用技巧
电荷泵是一种无幅射的升压器件，它不使用电感器，而使用电容器作为储能器件。在设计时需要注意电容器的容量和材质对输出纹波的影响。
外部电容器的容量关系到输出纹波，在固定的工作频率下，过小的电容容量将使输出纹波增大。
输出纹波大小与电容器介质材料有关，在工作频率固定、电容器容量相同的情况下，优良的介质材料将有效地降低纹波。选用低 ESR的X7R/X5R 陶瓷电容器是一种比较好的选择。

锂电池保护 IC
锂电池保护电路是封装在锂电池内的，它由一个锂电池保护 IC和两个MOSFET组成，如图4所示。锂电池保护电路的工作原理如下：
正常状态下，M1、M2均导通；
过充电时，M2的OC引脚由高电位转至低电位，电闸关闭，截止充电，实现过充电保护；
充电电流方向为P+-->P- ；
过放电时，M1的OD引脚由高电位转至低电位，电闸关闭，截止充放电，实现过放电保护；
放电电流方向P- -->P+。
锂电池保护IC布线技巧
锂电池保护电路的PCB是很小的，设计时必须注意：
1)MOSFET尽可能接近B-、P-；
2)ESD防护电容器尽可能接近P+、P-；
3)相邻线间距>0.25mm，通过电流大的线要放宽，地线加宽。