8MHz极速开关的调整器技术

近年来,dc/dc开关调整器的工作频率范围介于20khz到几兆赫兹之间。虽然更高的开关频率成为业界共同追求的目标,但是工程师们却担心这会导致效率的大幅度降低。近期业界推出了第一颗频率高达8mhz的拥有低压差线性调整器(ldo)轻负载模式的降压调整器。与工作频率为1mhz的调整器相比,该解决方案的电感器体积缩小了超过90%,同时却保持出色的总体转换效率。

dc/dc开关调整器是在两个直流电压之间进行转换的有效手段。例如,锂离子电池的放电电压在4.2~2.7v之间变化,dc/dc开关调整器能够将其转换为一个稳定的1.8v电压,为微处理器供电。同时保证高于90%的转换效率。这非常重要,尤其是在电池供电的电路中。

线性调整器同开关调整器一样能够降低和调节输入电压的大小,只是效率较低。线性调整器的效率定义为输出电压和输入电压之比。例如,4.2v的输入电压通过线性调整器后,产生1.8v的输出电压,则该线性调整器的转换效率仅为43%。尽管线性调整器的效率较低,但是现在的手机仍在各处使用10~25个这些效率较低的线性调整器来实现dc/dc转换。这是由于线性调整器与开关调整器不同,它们不需要通常体积较大的电感器来实现电压转换(见图1)。

一直以来,开关调整器的工作频率范围为20khz到数mhz。开关调整器电感的体积与其工作频率成反比。一个工作频率为500khz的降压调整器通常情况下使用的是10uh范围的电感器;1mhz的降压调整器通常使用4.7uh的电感器;而2mhz的降压调整器通常使用的是2.2uh的电感器。一个持续提供500ma电流的小外形尺寸的4.7uh电感器通常占位面积为一个边长为3~4mm的正方形,并且高度为1.8mm甚至更高。再加上典型的开关调整器ic的封装大小(如3x3x0.85mm)与500ma的线性调整器(如micrel小巧的2x2x0.85mm大小的mic5319(该方案比典型解决方案的尺寸的1/5还要小))相比,要大得多。

为了满足空间敏感应用中对越来越小的电感的需求,领先的模拟ic供应商提供了频率更高的降压调整器。ti公司于2004年推出了一款频率为3mhz的器件;随后,凌特科技和maxim公司在去年也分别推出了频率为4mhz的器件。开关频率介于3-4mhz之间时,电感值能够降低到1uh,因此电感体积也会相应地缩小到3x3x1.2mm左右。截至目前为止,想要找到一个电感值为1uh并且高度远小于1mm的小的表贴电感是不可能的。

2006年,micrel公司通过提供业界第一个8mhz的降压调整器,打破了电感值1uh的最低值记录。该解决方案的特点在于拥有一个电感值为0.47uh,体积仅为1.25x2x0.55mm的小型片状电感器。与1mhz的解决方案相比,该调整器的电感器体积缩小了95%(见图2)。如图2所示,这也是电感器首次比开关调整器ic封装本身还要小。

在该解决方案出现以前,速度为8mhz的dc/dc开关调整器被认为是不可达到的,因为电源设计师们担心随着频率的提高,效率也会相应降低。开关调整器的效率损失由传导损耗和开关损耗组成。传导损耗受提供的电流及功率场效应晶体管阻抗影响,其不受频率影响;开关损耗包括栅极驱动和体二极管传导造成的损耗,电源每开关一次就会消耗固定数量的电能。因此,每秒钟内电源开关的次数越多,这些损耗值随频率而变化的元件所消耗的功率就越大。

图1:可调节输出电压的dc/dc开关调整器和线性调整器的典型电路

图2:随开关频率的增加,解决方案体积和高度的比较

为了避免8mhz降压调整器的性能受到随频率影响的开关损耗的影响,micrel公司通过使用一个高速的bicmos专利技术解决了效率问题。该技术在频率更高的状态下仍能使电源开关次数减少。图3是2mhz降压调整器(mic2205)和8mhz降压调整器(mic2285)的效率比较。这两种产品拥有同样的内核设计,它们的主要不同之处在于工作频率不同。如图所示,工作频率更高并不会导致效率的大幅度降低。

图3:2mhz和8mhz调整器在有负载时的效率差别

噪声性能和轻负载效率

在固定的高频率工作的主要优势在于其频率很容易被过滤,因为滤波器元件变得非常小。此外,在蜂窝网络和高速dsl中,如此高的频率允许用户处于主要的传输频带之外,以避免干扰。在高频以固定频率工作能够提供极好的噪声性能,手机处于待机模式时通常具有低负载的电流,而开关损耗却导致了整体效率大幅度地降低。为了解决该问题,micrel公司的mic2285提供了ldo轻负载模式,通过使用一个称为lowq的引脚就可以切换到这种模式。图4为mic2285的一个概念方框图。

图4:mic2285的概念内部方框图,显示了与8mhz脉宽调制(

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发布日期:2019年07月02日  所属分类:参考设计