便携式电池供电应用中的DC/DC功率转换

引言
便携式消费类电子产品小型化的趋势继续在业界发展，随之而来的便是电池及其相应容量可用空间不断下降。同时，开发商业上可行的、能量密度更高从而补偿电池空间降低的电池化学技术的相关工作则大幅减慢，这对工程师提出了许多设计挑战，要求他们开发的解决方案既能实现更多的功能，又能保证更长的操作与待机时间。
因此，高效电源管理就成为电子设计中至关重要的因素。有三个设计考虑用以解决功效问题。首先，电池管理技术可提供工作时间长的电池；其次，处理器与外设等耗电系统组件管理可根据所需的系统性能进行功耗管理；第三，功率转换过程本身也能将变化的电池电压转换为几个恒定的系统电压。
本文将讨论上述第三种设计领域中的有关问题，并探讨实现 DC/DC 高效转换的现有技术以及相应的效率、空间和成本的综合衡量考虑等问题。

功率转换需求
目前，许多便携式应用都采用锂离子电池，这种电池在所有化学充电电池技术中提供了最高的能量密度，从而使电池的外形缩小。移动电话中单电池的电压从满到空通常在 4.2V~2.7V 之间，大部分放电周期中的电压约为 3.7V。便携式 DVD 播放机中串联电池双配置的电压范围为 8.4V~5.4V。单个碱性电池电压范围为 1.5V~0.9V。许多应用要求几个电压轨来支持多种系统组件。常见的电压轨为：针对处理器内核的低于 1V 的电压轨，针对存储器的  2.5V 与 3.3V 电压轨，针对扩展接口(如 Compact Flash 或 USB)的 5V 电压轨，以及针对 LCD 偏置电压或白色LED背光电路系统且超过 20V 的电压轨。根据应用所需各种因素的综合考虑，可得到几种功率转换备选方案。

LDO 稳压器
将电压降至下一级的最简单方法就是使用 LDO稳压器。LDO 根据负载电阻调节其调整元件(如 PMOS 晶体管)的内阻，从而在稳压器输出提供恒定电压。由于 LDO 采取线性调节方案，因此几乎没有输出纹波，从而非常适用于对供给音频放大器、RF 电路系统或摄像机 CCD 感光器的“噪声”开关模式稳压输出进行后置滤波。应特别注意噪声以及电源抑制比 (PSRR) 的有关规范，这点非常重要。转换效率由输出电压与输入电压之比决定。LDO 在 3.7 V 上生成 3.3 V 存储器轨时效率高达 89%，但在相同电池的 3.7 V 轨上生成 1.1 V 内核电压时效率就会大幅下降至 29%。这就意味着输入稳压器的功率有 71% 都作为热量散发了。功率损耗的概略值可由输入/输出电压差与通过线性调整元件电流的乘积获得。这里应考虑在何种应用中使用 LDO，这点相当重要。如果成本与尺寸是最关键的设计因素，那么对电流需求低于 2A且输入/输出电压差较低的应用而言，线性稳压器将是最佳选择。
LDO 通常只需要一个低成本的陶瓷输入/输出电容，它可支持很小的解决方案操作。但是，技术还在不断发展。目前采用的凸起芯片级等超薄封装的线性稳压器扩展了 LDO 自身的优势，利用其解决方案尺寸很小的特点，只需要几个平方毫米的面积就能实现超小型解决方案。新式稳压器甚至通过先进的内部电路设计取消了输入/输出电容器，从而进一步减小了解决方案的尺寸。图 1 显示了安装在 3