【導讀】電壓偏離值很大時(shí)，轉換效率就驟降，開(kāi)關(guān)電容穩壓器為新興技術(shù)，結合開(kāi)關(guān)電容器和LDO優(yōu)點(diǎn)，可整合至可攜式應用中。通常開(kāi)關(guān)電源的效率問(wèn)題是目前大家比較關(guān)心的問(wèn)題，那么怎么提升這個(gè)效率呢，且看下文。
我們都清楚的看到手持式裝置核心處理器的供電電壓日益降低，但要兼顧效率與電池壽命，卻是另一項挑戰。在降壓轉換過(guò)程中最常利用的是開(kāi)關(guān)穩壓器和LDO穩壓器，但缺點(diǎn)在于尺寸太大，LDO如電壓偏離值很大時(shí)，轉換效率就驟降，開(kāi)關(guān)電容穩壓器為新興技術(shù)，結合開(kāi)關(guān)電容器和LDO優(yōu)點(diǎn)，可整合至可攜式應用中。通常開(kāi)關(guān)電源的效率問(wèn)題是目前大家比較關(guān)心的問(wèn)題，那么怎么提升這個(gè)效率呢，且看下文。
設法降低核心處理器的供電電壓是手持式裝置的全新技術(shù)趨勢之一，而在降壓的同時(shí)，也必須兼顧以更高效率延長(cháng)電池壽命的需求。目前這些裝置裡有多種新功能都有降壓轉換需求，如應用處理器、記憶體和射頻(RF)設計等，從負載和空間參數兩項考量來(lái)看，目前在此類(lèi)應用上最流行的解決方案，即採開(kāi)關(guān)穩壓器和低壓降 (LDO)穩壓器。
如只從效率考量，開(kāi)關(guān)穩壓器是最佳的選擇，然當電子零件高度和解決方案的尺寸限制超出電感器使用範圍時(shí)，轉換器就可能改採LDO或開(kāi)關(guān)電容(SC)穩壓器形式，電源解決方案通常無(wú)法提供較多電路板空間，但開(kāi)關(guān)穩壓器可提供比LDO和開(kāi)關(guān)電容穩壓器更大的解決方案尺寸。
我們利用DC/DC開(kāi)關(guān)電容穩壓器來(lái)提升電源的效率，那么開(kāi)關(guān)電容器都有哪些優(yōu)點(diǎn)呢？
開(kāi)關(guān)電容器可保持給定負載效率
隨著(zhù)VIN的上升，由轉換器產(chǎn)生的VIN和VOUT間的能量增加將引起功率耗損和效率下降。解決此問(wèn)題所採取的模式為轉變一個(gè)更高的效率增益，如同汽車(chē)替換檔位一般。開(kāi)關(guān)電容器類(lèi)比設有一個(gè)類(lèi)比增益控制和變化，以保持給定負載效率持續性，開(kāi)關(guān)電容器具離散增益步驟，由VOUT/(增益×VIN)來(lái)給定效率，且這些效率取決于離散增益，一個(gè)LDO僅擁有一個(gè)增益及3者中最低的效率，開(kāi)關(guān)電容器穩壓器則有3個(gè)不同的電壓增益，即2/3、1/2和1/3。
從SC穩壓器隨著(zhù)VIN的增長(cháng)可看出，電壓增益變化從2/3～1/2及1/2～1/3，因此整個(gè)負載範圍的效率達最大化，帶來(lái)鋰離子電池電壓範圍 3.4～3.8伏特上80%的功率，在相同應用中的LDO卻僅達到50%效率，隨電感器種類(lèi)不同，典型的開(kāi)關(guān)穩壓器應具有88～90%效率。
傳統上，穩壓器乃依據有效數量進(jìn)行比較，但由于鋰離子電池特性，要根據時(shí)量效率或鋰離子電池充分放電所需時(shí)間來(lái)判定，根據經(jīng)驗，運用200毫安培的負載電流，使用典型開(kāi)關(guān)穩壓器，可比使用開(kāi)關(guān)電容穩壓器持續時(shí)間多出6～8%，假設最大負載與微處理器中的情況一樣，僅表現到時(shí)間的20～30%，則電感開(kāi)關(guān)和開(kāi)關(guān)電容穩壓器間操作時(shí)間的差別可忽略。
須在效率與成本之間取舍
開(kāi)關(guān)電容穩壓器的更多增益可能會(huì )增加少許效率，但卻須要增加更多外部電容器和內部場(chǎng)效電晶體(FET)，促使成本上升，同時(shí)也增加解決方案尺寸。上述增益可透過(guò)兩個(gè)外部電容器或快速電容器(CFLY)取得，這些電容器用于儲存電荷，并將電荷從VIN傳輸到VOUT，除快速電容，還需一個(gè)輸入電容器 (CIN)及輸出電容器(COUT)，輸入電容器指示電壓波紋，而輸出電容器控制輸出電壓波紋，依VIN和VOUT可接受的波紋標準值，CIN和COUT 值的一般範圍是從1～10微法，且CFLY的數量通常比COUT少，外部電容器透過(guò)內部的功率FET在不同的配置中連接到晶片。
為利用開(kāi)關(guān)電容穩壓器來(lái)調節輸出電壓，可考慮使用脈波頻率調變(PFM)或脈波寬度調變(PWM)，開(kāi)關(guān)電容穩壓器的輸出阻抗與開(kāi)關(guān)頻率和內部功率FET 的電阻成比例。透過(guò)調製輸出阻抗，可再透過(guò)轉換器對給定負載進(jìn)行降壓；使用回授，即能控制頻率或內部FET阻抗，以調節輸出電壓，而PFM方案為較傳統方法。
在PFM類(lèi)系統中，輸出電壓如高于一個(gè)指定值，穩壓器即進(jìn)行關(guān)機控制，至輸出電壓降到所需值以下時(shí)再重新開(kāi)機，使用PFM控制模式的優(yōu)勢是操作電壓取決于 VIN和ILOAD，同時(shí)兩者皆可調整。負載越高、操作頻率就越接近指定頻率，但此操作範圍內的頻率變化可能不適用某些可攜式應用，輸入電壓波紋也取決于 VIN和ILOAD。10微法COUT的輸出波紋將為50毫伏特，可看到250毫安培負載的波紋頻率高于10毫安培負載的波紋頻率。
電壓偏離導致LDO效率降低
LDO在要求的電壓與電池電壓相近時(shí)最有效率，但如電壓偏離值很遠時(shí)，LDO效率就會(huì )降的很低，例如以3.6伏特電壓為一個(gè)僅要求1.5伏特電壓的微處理器鋰離子電池充電時(shí)，把電池電壓與1.5伏特LDO連接起來(lái)，就能為微處理器產(chǎn)生一個(gè)完整、穩定和小量的電源，但耗電量卻非常明顯。
LDO消耗功率(PD)等于負載電流(ILOAD)與輸入和輸出電壓的差相乘，即PD=ILOAD×(3.6～1.5)=ILOAD×2.3V。換句話(huà)說(shuō)，此例中，如以L(fǎng)DO做降壓轉換器時(shí)，僅產(chǎn)生42%的效率，表示LDO消耗剩余功率，且大幅增加晶片(Die)溫度，而此種溫度上升將引發(fā)裝置可靠性相關(guān)問(wèn)題。
由于具電壓增益能力，開(kāi)關(guān)電容穩壓器成為比線(xiàn)性穩壓器更有效的解決方案，此電壓增益透過(guò)在雙相位，即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，如位于增益配置中的一個(gè)開(kāi)關(guān)電容轉換器的1/2將把一個(gè)3.6伏特的輸入電壓(VIN)轉變?yōu)?.8伏特的輸出電壓 (VOUT)；如要求的輸出電壓是1.5伏特，則功率消耗僅為300毫伏特與負載電流的乘積，相當于83%的效率。
PWM模式可固定操作頻率/工作周期
最近的PWM調控模式處理PFM架構中的各種頻率和高輸出波紋時(shí)，多數開(kāi)關(guān)電容穩壓器皆?huà)馪WM調制模式，功率FET電阻根據VOUT和ILOAD進(jìn)行控制，才確實(shí)控制快速電容器所提供的充電量，此被稱(chēng)為預調製。在此模式下，操作頻率和工作周期皆固定。
開(kāi)關(guān)電容穩壓器是新興技術(shù)結合了開(kāi)關(guān)電容器和LDO的優(yōu)點(diǎn)，亦即將鋰離子電池範圍的效率和小尺寸的解決方案整合至可攜式應用中，而最近拓撲技術(shù)也使用被動(dòng)元件的更小值以達到更低雜訊，可攜式裝置中的許多功能都要求降壓穩壓器須具更小尺寸和更高效率，而開(kāi)關(guān)電容器解決方案為理想選擇。
