便攜式消費類電子產品集成了越來越多的新功能。隨著用戶對更小尺寸、更長電池壽命的期盼，系統設計人員面臨著更大的挑戰。每種新增功能都需要額外的空間和額外的功率，這樣，留給電池的空間將會更小，需要在更小的空間內以更高的效率提供更大供電電流。本文就電源設計中的電流要求對不同類型的調節器進行比較，討論它們在便攜產品中的應用。

概述

新一代便攜式消費類電子產品集成了越來越多的功能，很難對這些具體產品進行分類。功能的增多有助于提高銷售量，但是，為了滿足用戶對更小尺寸、更長電池壽命的要求，設計人員面臨著更大的挑戰。每種新增功能都需要額外的空間和額外的功率，由于留給電池的空間極其有限，因此，需要在更小的空間內以更高的效率提供更大的供電電流。

對功率的更高要求改變了設計準則

近兩年，大多數手持產品采用一路降壓型(buck)轉換器和多路低壓差(LDO)線性穩壓器方案，有些設計則只采用線性穩壓器結構。這種方案能夠提供良好的工作性能，由于大多數處理器采用3.0V或3.3V供電，在單節Li+電池供電時，LDO可提供適當的轉換效率。但是，隨著對處理器功耗的要求和IC工藝向更小的亞微米技術的發展，微處理器的核電壓降至1.8V、1.5V、1.3V甚至0.9V。另外，典型的I/O電壓也從3.3V降至2.5V或1.8V。電壓的降低大大降低了LDO的效率，它所產生的熱量抵消了低核電壓和低I/O口電壓帶來的好處。因此，為了保持較高的效率，設計人員必須考慮選用buck轉換器。

為了滿足低電源電壓的需求，許多系統內部采用多個處理器。例如，手機 + PDA組合就是個很好的例子，系統包含一個基帶處理器和一個應用處理器，每個處理器都需要單獨的供電電源。手機和PDA上使用的相機模塊仍傾向于采用LDO供電，但相關的圖形處理器通常要求更低的電源電壓。因此，在多功能設計中，常常要用到多路buck電源。在一塊PC板上安裝三路buck電源已經很常見。

新型定制電源管理芯片(PMIC)集成了一路或多路buck轉換器，但這些產品還常常不足以滿足用戶的要求。每增加一項新的功能，就有可能需要另外一路buck電源或需要提高buck電源的驅動能力。顯而易見，只有那些能夠采用分立電源IC在最短的時間內滿足新的設計需求的制造商才能保持與市場需求的同步增長。

尺寸的挑戰

就目前的設計水平而言，要想在系統中增加一個buck轉換器不僅要增加成本，還要占用一定的電路板面積。三年前，典型的buck轉換器采用MSOP封裝，尺寸為15mm2，可工作在1MHz或更低的開關頻率，需要較大尺寸的外部電感和鉭電容。如圖1b所示，現在的1MHz buck轉換器采用TDFN封裝，尺寸已降至9mm2，且外部可以使用陶瓷電容和小尺寸電感，但其尺寸還是遠遠大于LDO，如圖1a所示。

先進的亞微米BiCMOS混合信號處理工藝是解決尺寸問題的關鍵技術，它能夠進一步縮小電源IC的尺寸，提供其工作頻率，能夠選用更小尺寸的外部元件。許多IC制造商已經能夠提供2MHz甚至更高頻率的電源IC，同時也采用了更小的封裝。如圖1c所示，Maxim的4MHz buck轉換器MAX8560的尺寸幾乎與LDO一樣小! 可采用更高的工作頻率，因此，允許使用微型電感，如：Taiyo Yuden的CB2012系列，0805封裝。

盡管1MHz和4MHz buck轉換器的制造工藝均有所提高，4MHz buck轉換器的效率要比1MHz buck轉換器的效率低，如圖2所示。因為較高的開關頻率會產生較大的開關損耗，而微型電感也存在較大的磁芯損耗。值得慶幸的是，1MHz和4MHz的buck轉換器效率差別不大，而且，它們的效率遠遠高于LDO的效率(41%)。

結論

從上述分析可以看出，系統電源設計有三種選擇：a)小尺寸、b)高效率或c)小尺寸加高效率。需要在電池壽命和系統物理尺寸之間進行權衡。由于方案c中的高頻buck轉換器能夠在不明顯增大電路版尺寸的前提下大大提高電源的轉換效率，因而理所當然地成為多功能、便攜式消費類產品的優選方案。此外，考慮到buck轉換器產生的熱量低于LDO，因此，有可能以更小的尺寸取代LDO。

圖1. 盡管效率不高，但LDO線性穩壓器(a)仍是尺寸最小的解決方案。傳統的1MHz buck轉換器(b)可提供極高的效率，但尺寸太大。新型高速4MHz buck轉換器(c)的尺寸接近LDO且效率接近1MHz buck轉換器。

圖2. 兩種buck轉換器的效率均遠遠高于LDO線性穩壓器的效率。4MHz buck轉換器以犧牲一點效率為代價換來的則是極小的尺寸。

審核編輯：郭婷