性能接近线性稳压器的下一代移动DC-DC转换器

引言

今天的手机不断向小型化和薄型化发展。技术尺寸方面的进展是一个关键问题，可以决定产品开发的命运。同时，由于移动器件的尺寸不断变小，元件尺寸和元件数量也必须减小。元件的布置变得更加重要，抗干扰与低噪声成为工程师工作的一部分。但是，有一些限制因素正在制约这种尺寸缩小的趋势。第一个因素是手机每增加一个新特点，其功耗也要相应增加。最明显的例子是，10年前显示屏的功耗不到50mW，今天已上升到150mW-200mW，预计几年后将上升到300mW-500mW。此外，还有多媒体处理器、相机模块、电视调谐器等等，很容易看到为什么手机的功耗不断增加。不幸的是，电池技术跟不上这种需求的步伐，锂离子的能量密度只增长了一倍，从100Whr/Kg左右上升到了200Whr/kg左右，而手机功耗却增长了三倍。即使考虑到了密度方面的改善，今天普通电池的尺寸与前几年一样，甚至比前几年还大，而通话时间和待机时间却变短了。考虑到所有这些因素，容易看出电源管理在今天的移动产品中扮演着越来越重要的角色。

电源管理器件的类型

作为一个例子，让我们看看手机的心脏—基带处理器的供电。传统上手机的基带处理器使用低压降线性稳压器(LDO)供电。LDO的优点是在各种条件下的输出噪声都很低，尺寸很小，外部元件较少，容易使用，而且不会在电池上产生可能影响其它元件的反射噪声。LDO的缺点是效率通常低于DC-DC转换器，而且效率随着芯片组电压要求的下降而下降，但电池电压保持不变。随着手机功能对于功率的需求不断增加，许多设计师正在采用DC-DC转换器来代替LDO，以提高效率和维持电池寿命。

DC-DC转换器为设计师提供了一种可行的替代方案，它们在广泛的负载范围内具有高效率，LDO在这方面无法与之相比。但是，DC-DC转换器在其它所有方面几乎都逊于LDO，它的尺寸较大，较难使用，需要更多的外部元件，而且产生更多的噪声，最大的外部元件是电感。为了使DC-DC转换器有效地运行，该器件必须以较高的频率开关一个存储元件，通常是一个电感。这个功能必然产生噪声，并使稳压器的尺寸变大。这种“噪声”可以转移到它所供电的器件，也就是基带处理器，从而引起系统问题。它也可能污染电池，进而导致噪声扩散到手机的每个部位。为了降低这种现象，手机设计师必须增加电容和电感等额外的过滤元件，以隔离和抑制噪声。这将扩大产品尺寸和提高复杂性。同时也需要对电路板的空间进行认真规划，以使敏感区域远离DC-DC转换器，并尽可能在与之隔绝。噪声并不是总可以预测的，而在设计大批量消费产品时，可预测性和对风险采取保守对策是极其重要的。

手机的LDO与传统的DC-DC转换器之间的对比如图1所示。

图1  DC-DC转换器与LDO的对比

理想的电源管理元件

从效率角度来看，显然DC-DC转换器是电源管理的未来方向。挑战在于降低DC-DC转换器的尺寸，使之成为象LDO那样的小型、简单、低噪声和便宜器件。要求移动产品小型化的市场力量和需求，将迫使出现这种情况。

为了搞清楚如何实现这个目标，让我们先看一下构成DC-DC转换器的器件。最大器件是电感，它是一个开关存储元件，因此不仅尺寸大，而且会产生磁场，从而在电路板设计中引起噪声问题。显然，电感的面积和高度必须缩小，以接近理想的LDO类型的产品。我们再看看DC-DC转换器的功能，以及为什么电感的尺寸需要做得这么大。图2所示为一个非同步降压DC-DC转换器的基本运行。移动DC-DC转换器通常是同步的，用MOSFET代替二极管以提高效率。为了便于理解，利用一个非同步降压转换器来介绍运行情况。

开关具有开和关两种工作状态，每秒开关的次数就是开关频率。当开关闭合时，能量就被输送到输出负载并存储在电感内。当开关打开时，存储在电感中的能量被传送到输出。开关的开和关之间的比率被称为空度比，控制该比率就能控制输出电压。从图2可以看出，电感电流由两部分组成。第一个是DC输出电流，第二个是开关电感引起的电流DIL。ΔIL主要由E=Ldi/dt决定。此处的E是开关闭合时电感上的电压(输入电压减输出电压)，di是DIL，dt与开关频率成反比。DIL实际上是个多余部分，它流过输出电容器、二极管并产生噪声，并在开关接通时造成额外的损失。为一个给定的设计选择电感，完全是在DIL、噪声损失之间进行平衡。但有一件事是明确的：对于给定的输入与输出电压，开关频率是决定电感值的主要因素。开关频率越高，即dt越低，则电感越小。

图2 DC-DC转换器运行简图

不幸的是，提高开关频率会造成很大的负作用。主要是DC-DC转换器的效率会下降。这个理由很简单。开关利用一定的能量来开和关。这部分能量其实是一种损失，因此每秒开关次数越多，能量损失越大，总体效率就越低。控制这种“损失”是提高开关频率的关键。

今天流行的DC-DC转换器针对工作频率为1-3MHz的移动产品。在1MHz的开关频率下，通常需要使用4.7mH的电感，频率为3-4MHz时电感可以降到1-1.5mH左右。图3所示为电感尺寸与移动产品开关频率的关系。可以看到，为了接近与LDO相当的尺寸，电感需要小于1mH。这样就可以把开关频率设定在6MHz以上。最先进的500mA 0.47mH 电感采用0805外壳尺寸，高度为0.55mm。

图3 电感尺寸与移动产品开关频率的关系

从图3可以看出，在开关频率为8MHz时，即可将电感放置在IC封装内，电感高度目前小于0.6mm。但是这方面存在一些挑战。

高频开关面临的挑战

前面讲过，与高频开关有关的损耗会增加。图4所示为采用2.2mH电感在传统的2MHz频率下DC-DC转换器的损耗，以及采用0.47mH电感和频率为8MHz时的损耗。

图4 2MHz和8MHz开关频率下DC-DC转换器的损耗

可以明显看出，在传统的移动DC-DC频率2MHz下，开关引起的损耗仅占总体损耗的20%左右。总体损耗约为200mA，是移动器件的典型输出电流。但在8MHz时，开关损耗会上升到40%以上。降低开关损耗是能够使用高频开关的关键，也是能够集成到封装之中的小型电感的前提。

建议解决方案

Micrel公司推出了它的第一代“无电感”(L Free)DC-DC转换器，首款产品是MIC3385。它的开关频率是8MHz，电感集成到3mm x 3mm MLF封装之中。在设计时考虑到降低开关损耗，从而使开关损耗上升导致的效率损失最小。图5所示为MIC3385的简化结构图。

图5 MIC3385的“无电感”DC-DC转换器的结构简图

MIC3385的基本结构是频率恒定的PWM转换器，带有一个并联LDO。在输出负载处于待机时，LDO充当轻负载模式。这种混合式设计提供了极其出色的噪声性能，并使多能够轻松地过渡到高频。
MIC3385经过优化，可以在较高的频率下开关而且电感值较低。

对于高频DC-DC转换来说，除了降低开关损耗以外，还有其它一些挑战。最大的挑战是设计出具有足够高的带宽的控制回路，以使输出电压在快速瞬态下保持稳定，同时仍采用小型陶瓷输出电容器。MIC3385做了这点，它采用了一种获得专利的方法—通过并联LDO获得所需的高带宽。MIC3385的DC-DC转换器和LDO都提供全输出电流，以允许从一种状态到另一种状态实现几乎无缝的转变，具有最小的输出电压偏差。图6所示为MIC3385在重负载瞬态条件下的输出电压偏差，并与比较传统的DC-DC方案进行了比较。重负载瞬态条件在移动器件中是常见现象。可以看出,MIC3385 8MHz架构的表现大大优于传统结构，从而为设计稳定性创造了较大的空间。

图6 MIC3385在重负载瞬态条件下的输出电压偏差，并与比较传统的DC-DC方案进行了比较

噪声方面的优点

DC-DC转换器的电感在运行和开关时产生磁场。设计时必须考虑电感的安置，以避免引起干扰。例如，把电感安置在敏感的音频元件附近，可能引起有害的干扰。把它放置在功率放大器附近，则可能降低器件的灵敏度并导致兼容问题，电感越大，这些问题越难以控制。MIC3385的电感较小，安放位置尽可能接近DC-DC裸片。这使高频功率回路尽可能地短，与具有外部电感的低频DC-DC相比，降低了EMI噪声。这与直觉有点矛盾，因为一般认为较高的频率会产生较大的噪声。

结语

结果显示，第一代8MHz开关频率的DC-DC转换器是可行的，它提供了一种有益的解决方案，在移动设计中受到欢迎。该设计显示出低噪声、快速瞬态响应和高效率，所有这些优点都使DC-DC转换器更接近LDO解决方案。