1 引言

選擇適合電源應用的集成電路" target="_blank">集成電路(IC)看似很容易。然而隨著多個電壓軌的新型消費類電子產品的推出，這一任務就變得復雜。在選擇適合工作的IC時，必須要權衡解決方案的成本、尺寸、電源、占空比以及輸出功率等諸多因素。在選取電源應用集成電路時應按產品要求功能的重要性依次對這些因素排序。

2 最佳電源應用解決方案

圖1為最佳電源應用解決方案。該方案采用便攜式電源，要求盡可能低的功耗和較小尺寸，單節Li+電池(由12 V電源不間斷充電)供電。希望解決方案的成本降至最低，但降低成本是以犧牲空間為代價，首先應滿足空間要求，其次是效率，盡可能延長電池壽命。

3 選擇最佳拓撲

首先檢測每個電源軌的電源要求，確定采用何種類型DC-DC轉換器(即感應開關、線性穩壓器或電荷泵)。

感應開關通常是高效應用的最佳選擇。感應開關電路是由開關元件、整流器、電感、輸入和輸出電容組成。應選擇內置開關元件和整流器的IC來降低尺寸。這些電路的效率取決于負載，其值通常為80％～96％?？紤]到電感尺寸的問題，開關轉換器通常需要更大空間，且成本也較昂貴。由于存在電感，開關轉換器會產生電磁干擾(EMI)輻射，因此，輸出端將產生開關噪聲。

低壓差線性穩壓器(LDO)通過減少旁路器件兩端的輸入電壓來降低直流電壓。該拓撲僅需3個器件(旁路器件和輸人／輸出電容器)。通常LDO比較便宜，噪聲比感應轉換開關小得多。由于該器件輸人電流等于負載電流，因此該解決方案效率等于輸出一輸入電壓比值。但當輸入一輸出電壓比值較高時效率較低。所有功耗都在于旁路器件，這意味著LDO不是輸入-輸出壓差較大的大電流應用的理想解決方案。大功率應用需散熱裝置，這樣就增大了尺寸。

電荷泵采用“飛”電容作為儲能元件，實現升壓／降壓或直流電壓反向，并采用內部開關連接電容器以進行所需的DC-DC轉換。電荷泵通常要比感應開關成本低，且不產生電磁于擾，但輸出紋波通常大于感應開關。電荷泵的輸出功率是有限的，瞬態響應受到“飛”電容充電速率限制。此外，在輸入電壓接近輸出電壓的應用中，其效率通常極低。

為了進一步減小解決方案尺寸，有多種多電源輸出器件可供選擇。這些器件通常內置MOS場效應晶體管(MOSFET)，且所需最少的外部元件。這些器件可能較昂貴，在實際應用中減少了所必須的外部元件，這樣就能抵消IC的高成本問題。

4 采用何種拓撲

考慮到應用的空間限制，LDO是最佳選擇。然而，由于功耗和效率的制約，實際上LDO并非總是最佳選擇。對于5 V、2 A的電源軌而言，需選用一個開關轉換器，在這種情況下，LDO的功耗極大(14 W)。因此，對于這種情況，感應式降壓轉換器則是最佳的選擇。接下來研究電池充電器。電池山5 V電源充電。實際應用中采用充電電壓為4.2 V的單節Li+電池?？紤]到應用中的空間限制，首選線性充電器。這樣就忽略了對充電效率的關注，兇為只有當12 V電源適配器正常工作時，電池充電器才起作用。但是，當所選擇的電池峰值充電電流深度放電后，電壓降至3 V，就必須要關注，而且要限制電池充電器的散熱。

對于1.50 V的電源來說，可選擇開關降壓轉換器或LDO。選擇LDO時，效率將在25％以內，并要求100 mA的輸入電流。而選用開關降壓轉換器，效率超過90％，需要30 mA輸入電流。許多采用超小型的開關轉換器的解決方案可提供所需的輸出功率而且尺寸不可能超過LDO電路。為了最大限度延長電池壽命，因此，選擇降壓轉換器更為合適。而對于2.5 V電源，這兩種拓撲都能勝任。LDO具有低電流需求和低輸人／輸出壓差，是小尺寸應用的最佳選擇。對于1.25 V電源，開關式轉換器是最佳選擇。LDO要求較大的負載電流(300 mA)和較大的輸入／輸出壓差，因此功耗過大且效率不高。對于1.65 V電源．兩種拓撲都能滿足要求。采用基于1.50 V電源的邏輯分析方法，選用開關轉換器，但是，根據下面討論的其他岡素表明應選用LDO。對于3.3 V電源，由于要求大輸出電流，因此開關轉換器是最佳選擇。

5 為實際工作需要選擇最適合的IC

考慮到其尺寸和成本限制，應選擇高集成IC。因此，所選用IC都內置MOSFET。這樣就可減小尺寸，降低成本。除節省材料成本外，還減少了元件數量，降低了印制板組裝成本。此外，還可采用多輸出IC進一步減少解決方案尺寸。

若再次從5 V電源軌分析電路，對于5 V電源軌，TPS5431是最佳解決方案。TPS5431具有的寬輸入電壓(5.5～23 V)可支持12 V+10％的輸入，輸出電流高達3 A，低至1.2 V的可調輸出電壓。TPS5431集成有開關的MOSFET和補償元件，效率達95％，符合電池電源需求。該器件采用SO-8封裝，可實現超小型解決方案。

分析電池充電器，有多種方案可供選擇。具有3 mm QFN封裝的小型電池充電器IC bq24010是最佳選擇。由該充電器構成的解決方案尺寸小，僅需3個外部元件，但在具體的應用中還可采TPS65010型Li+電池供電系統的電源和電池管理器件。TPS65010集成有2個開關轉換器(VMAIN和VCORE)，2個LDO(LDO1和LDO2)和單節Li+電池充電器。而且TPS65010無需連接12 V電源適配器開關電路。應用中，VMAIN提供3.3 V電源，VCORE提供1.25 V電源，LDO1提供1.65 V電源，LDO2提供2.5 V電源。采用TPS65010可大大減小解決方案尺寸以及外部元件數。1.50 V電源可由降壓開關，如TPS62201提供。該器件采用5引腳SOT-23封裝，僅需3個外部元件(輸入／輸出電容、電感及2只反饋電阻)。采用TPS62201可構建超小尺寸的解決方案。為了提高效率，TPS62201輸入應接TPS65010的3.3 V MAIN輸出。

6 最終的解決方案

基于以上討論，最終電源解決方案如圖2所示。

7 無I2C接口

如果應用中無I2C接口，則無法使用TPS65010。這種情況下可采用TPS75003。TPS75003內置2個3 A開關式DC-DC降壓轉換器和1個300 mA LDO。該器件的輸出電壓可根據需要調節，集成有3條電流的最大電源軌。開關轉換器提供1.25 V和3.3 V電源。LDO要求電流較低，提供1.65 V電源。2.5 V電源則由小型LDO電路提供。由于TPS71525采用SC-70封裝，需陶瓷輸出電容才能穩定工作，實現超小型解決方案。采用TPS76925的大尺寸、低成本解決方案可提供1.65 V電源。TPS76925控制電路要求輸出端的等效串聯電阻最低可確保穩定，這可能與電路尺寸限制出現沖突。

8 系統效率差異計算

假設所有電壓軌始終處于工作狀態，而實際情況卻很少如此。在采用感應轉換開關應用場合，為盡量減小解決方案尺寸，可選擇LDO。通過計算每種拓撲效率的差異最終確定采用哪種拓撲。利用輸出占空比判斷各個電壓對解決方案效率的影響。首先，將每個電源的有效功率相加，計算有效的總

例如，如果確定3.3 V、420 mA電源軌由開關轉換器提供，且占空比僅為10％，則用LDO替代開關式轉換器時，總效率下降幅度將不會超過0.75％。如果3.3 V輸出一直處于開啟狀態，則采用LDO替代感應轉換開關會使總效率降低近4％。這顯然是兩種極端情況，但說明占空比影響總效率。當輸出占空比增加時，須研究解決方案尺寸與效率的變化關系，以確定最佳方案。

9 結論

在許多不同的DC-DC轉換方案之間，選擇最佳的解決方案是一項棘手的工作。必須反復權衡占用空間、輸入功率、輸出功率、占空比和成本等因素，以確定最佳解決方案。首先可按功能的重要性對各因素排序，然后基于這些要求選擇適合每個輸出的拓撲。最后針對各輸出選擇高性價比的解決方案。在電源設計時，請遵照文中給出的簡單步驟，將有助于降低電源設計難度。