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选择适合电源应用的IC

来源:    编辑:    发布时间:2021-02-12 06:27:40    浏览量:
1 引言 选择适合电源应用的集成电路(IC)看似很容易。

然而随着多个电压轨的新型消费类电子产品的推出,这一任务就变得复杂。

在选择适合工作的IC时,必须要权衡解决方案的成本、尺寸、电源、占空比以及输出功率等诸多因素。

在选取电源应用集成电路时应按产品要求功能的重要性依次对这些因素排序。

2 最佳电源应用解决方案 图1为最佳电源应用解决方案。

该方案采用便携式电源,要求尽可能低的功耗和较小尺寸,单节Li+电池(由12 V电源不间断充电)供电。

希翼解决方案的成本降至最低,但降低成本是以牺牲空间为代价,首先应满足空间要求,其次是效率,尽可能延长电池寿命。

3 选择最佳拓扑 首先检测每个电源轨的电源要求,确定采用何种类型DC-DC转换器(即感应开关、线性稳压器或电荷泵)。

感应开关通常是高效应用的最佳选择。

感应开关电路是由开关元件、整流器、电感、输入和输出电容组成。

应选择内置开关元件和整流器的IC来降低尺寸。

这些电路的效率取决于负载,其值通常为80%~96%。

考虑到电感尺寸的问题,开关转换器通常需要更大空间,且成本也较昂贵。

由于存在电感,开关转换器会产生电磁干扰(EMI)辐射,因此,输出端将产生开关噪声。

低压差线性稳压器(LDO)通过减少旁路器件两端的输入电压来降低直流电压。

该拓扑仅需3个器件(旁路器件和输人/输出电容器)。

通常LDO比较便宜,噪声比感应转换开关小得多。

由于该器件输人电流等于负载电流,因此该解决方案效率等于输出一输入电压比值。

但当输入一输出电压比值较高时效率较低。

所有功耗都在于旁路器件,这意味着LDO不是输入-输出压差较大的大电流应用的理想解决方案。

大功率应用需散热装置,这样就增大了尺寸。

电荷泵采用“飞”电容作为储能元件,实现升压/降压或直流电压反向,并采用内部开关连接电容器以进行所需的DC-DC转换。

电荷泵通常要比感应开关成本低,且不产生电磁于扰,但输出纹波通常大于感应开关。

电荷泵的输出功率是有限的,瞬态响应受到“飞”电容充电速率限制。

此外,在输入电压接近输出电压的应用中,其效率通常极低。

为了进一步减小解决方案尺寸,有多种多电源输出器件可供选择。

这些器件通常内置MOS场效应晶体管(MOSFET),且所需最少的外部元件。

这些器件可能较昂贵,在实际应用中减少了所必须的外部元件,这样就能抵消IC的高成本问题。

4 采用何种拓扑 考虑到应用的空间限制,LDO是最佳选择。

然而,由于功耗和效率的制约,实际上LDO并非总是最佳选择。

对于5 V、2 A的电源轨而言,需选用一个开关转换器,在这种情况下,LDO的功耗极大(14 W)。

因此,对于这种情况,感应式降压转换器则是最佳的选择。

接下来研究电池充电器。

电池山5 V电源充电。

实际应用中采用充电电压为4.2 V的单节Li+电池。

考虑到应用中的空间限制,首选线性充电器。

这样就忽略了对充电效率的关注,凶为只有当12 V电源适配器正常工作时,电池充电器才起作用。

但是,当所选择的电池峰值充电电流深度放电后,电压降至3 V,就必须要关注,而且要限制电池充电器的散热。

对于1.50 V的电源来说,可选择开关降压转换器或LDO。

选择LDO时,效率将在25%以内,并要求100 mA的输入电流。

而选用开关降压转换器,效率超过90%,需要30 mA输入电流。

许多采用超小型的开关转换器的解决方案可提供所需的输出功率而且尺寸不可能超过LDO电路。

为了最大限度延长电池寿命,因此,选择降压转换器更为合适。

而对于2.5 V电源,这两种拓扑都能胜任。

LDO具有低电流需求和低输人/输出压差,是小尺寸应用的最佳选择。

对于1.25 V电源,开关式转换器是最佳选择。

LDO要求较大的负载电流(300 mA)和较大的输入/输出压差,因此功耗过大且效率不高。

对于1.65 V电源.两种拓扑都能满足要求。

采用基于1.50 V电源的逻辑分析方法,选用开关转换器,但是,根据下面讨论的其他冈素表明应选用LDO。

对于3.3 V电源,由于要求大输出电流,因此开关转换器是最佳选择。

5 为实际工作需要选择最适合的IC 考虑到其尺寸和成本限制,应选择高集成IC。

因此,所选用IC都内置MOSFET。

这样就可减小尺寸,降低成本。

除节省材料成本外,还减少了元件数量,降低了印制电路板组装成本。

此外,还可采用多输出IC进一步减少解决方案尺寸。

若再次从5 V电源轨分析电路,对于5 V电源轨,TPS5431是最佳解决方案。

TPS5431具有的宽输入电压(5.5~23 V)可支撑12 V+10%的输入,输出电流高达3 A,低至1.2 V的可调输出电压。

TPS5431集成有开关的MOSFET和补偿元件,效率达95%,符合电池电源需求。

该器件采用SO-8封装,可实现超小型解决方案。

分析电池充电器,有多种方案可供选择。

具有3 mm QFN封装的小型电池充电器IC bq24010是最佳选择。

由该充电器构成的解决方案尺寸小,仅需3个外部元件,但在具体的应用中还可采TPS65010型Li+电池供电系统的电源和电池管理器件。

TPS65010集成有2个开关转换器(VMAIN和VCORE),2个LDO(LDO1和LDO2)和单节Li+电池充电器。

而且TPS65010无需连接12 V电源适配器开关电路。

应用中,VMAIN提供3.3 V电源,VCORE提供1.25 V电源,LDO1提供1.65 V电源,LDO2提供2.5 V电源。

采用TPS65010可大大减小解决方案尺寸以及外部元件数。

1.50 V电源可由降压开关,如TPS62201提供。

该器件采用5引脚SOT-23封装,仅需3个外部元件(输入/输出电容、电感及2只反馈电阻)。

采用TPS62201可构建超小尺寸的解决方案。

为了提高效率,TPS62201输入应接TPS65010的3.3 V MAIN输出。

6 最终的解决方案 基于以上讨论,最终电源解决方案如图2所示。

7 无I2C接口 如果应用中无I2C接口,则无法使用TPS65010。

这种情况下可采用TPS75003。

TPS75003内置2个3 A开关式DC-DC降压转换器和1个300 mA LDO。

该器件的输出电压可根据需要调节,集成有3条电流的最大电源轨。

开关转换器提供1.25 V和3.3 V电源。

LDO要求电流较低,提供1.65 V电源。

2.5 V电源则由小型LDO电路提供。

由于TPS71525采用SC-70封装,需陶瓷输出电容才能稳定工作,实现超小型解决方案。

采用TPS76925的大尺寸、低成本解决方案可提供1.65 V电源。

TPS76925控制电路要求输出端的等效串联电阻最低可确保稳定,这可能与电路尺寸限制出现冲突。

8 系统效率差异计算 假设所有电压轨始终处于工作状态,而实际情况却很少如此。

在采用感应转换开关应用场合,为尽量减小解决方案尺寸,可选择LDO。

通过计算每种拓扑效率的差异最终确定采用哪种拓扑。

利用输出占空比判断各个电压对解决方案效率的影响。

首先,将每个电源的有效功率相加,计算有效的总

例如,如果确定3.3 V、420 mA电源轨由开关转换器提供,且占空比仅为10%,则用LDO替代开关式转换器时,总效率下降幅度将不会超过0.75%。

如果3.3 V输出一直处于开启状态,则采用LDO替代感应转换开关会使总效率降低近4%。

这显然是两种极端情况,但说明占空比影响总效率。

当输出占空比增加时,须研究解决方案尺寸与效率的变化关系,以确定最佳方案。

9 结论 在许多不同的DC-DC转换方案之间,选择最佳的解决方案是一项棘手的工作。

必须反复权衡占用空间、输入功率、输出功率、占空比和成本等因素,以确定最佳解决方案。

首先可按功能的重要性对各因素排序,然后基于这些要求选择适合每个输出的拓扑。

最后针对各输出选择高性价比的解决方案。

在电源设计时,请遵照文中给出的简单步骤,将有助于降低电源设计难度。

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