中心論題：
- 開關(guān)穩(wěn)壓器和低壓降穩(wěn)壓器減少對核處理器電壓供應(yīng)。
- 提高降壓轉(zhuǎn)換器效率的方法。
- 利用開關(guān)電壓器來調(diào)節(jié)輸出電壓。
- 雙相位中的堆疊電容器和并行電容器提高效率。
- 通過兩相位間的交替變化取得一個增益。
- 拓樸技術(shù)通過被動元件的更小值來達(dá)到更低的噪聲。
當(dāng)今移動電話產(chǎn)業(yè)日益增長的趨勢是要減少對核處理器電壓供應(yīng)，同時要滿足達(dá)到更高效率以擴展電池壽命的要求。越來越多應(yīng)用都要求降壓轉(zhuǎn)換，如應(yīng)用處理器、存儲器和RF塊設(shè)計都被列在其中。根據(jù)負(fù)載和空間參數(shù)，目前，用于這個應(yīng)用空間的兩個最流行的解決方案是開關(guān)穩(wěn)壓器和低壓降(LDO)穩(wěn)壓器。
從效率的角度看，一個開關(guān)穩(wěn)壓器就是最佳的選擇。然而，當(dāng)部件高度和解決方案的尺寸限度超出了電感器的使用范圍時，一個轉(zhuǎn)換器可能會采用LDO(低壓降)或開關(guān)電容穩(wěn)壓器的形式。多數(shù)時候電源解決方案都不能提供較多的板上空間，一個開關(guān)轉(zhuǎn)換器就會有一個比LDO和開關(guān)電容穩(wěn)壓器更大的解決方案尺寸。圖1將典型的開關(guān)穩(wěn)壓器與LM2770(一個典型的開關(guān)電容穩(wěn)壓器)在解決方案尺寸上進行比較。我們可以看到顯示出來的開關(guān)電容器的解決方案尺寸大約為45mm2，當(dāng)所要求的電壓與電池電壓相近的時候LDO的工作效率是最高的，但當(dāng)電壓的偏離值很遠(yuǎn)時，LDO效率就會很低。想象一下以一個充電至3.6V的Li-Ion電池，為一個僅要求1.5V電壓的微處理器供電。把電池電壓與一個1.5V LDO相連接可為微處理器產(chǎn)生一個穩(wěn)定和小的電流，但是功耗是相當(dāng)顯著的。LDO消耗功率(PD)等于負(fù)載電流(ILOAD)與輸入和輸出電壓的差相乘(PD = ILOAD *(3.6-1.5) = ILOAD *2.3V)。換句話說，LDO作為一個降壓轉(zhuǎn)換器在這個例子中僅產(chǎn)生42%的效率。這意味著LDO不得不消耗剩余功率，而且這能引起裸片溫度的一個大的增高，這個溫度進而可能會引起可靠性的問題。
由于具有電壓增益的關(guān)系，一個開關(guān)電容穩(wěn)壓器是比線性穩(wěn)壓器更有效的解決方案，這個電壓增益是通過在雙相位(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。例如：位于增益配置中的一個開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器的1/2將把一個3.6V的輸入電壓(VIN)轉(zhuǎn)變?yōu)?.8V的輸出電壓(VOUT)。如果要求的電壓(VOUT)是1.5V，那么功耗僅為300mV與負(fù)載電流的乘積。這相當(dāng)于83%的效率。
隨著VIN的增長，由轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的VIN和VOUT 間的增量增長引起功率消耗的增長和效率的下降。解決這個問題的一個方式是轉(zhuǎn)變成一個更高的效率增益，就像給汽車替換齒輪一樣。圖2顯示了一個開關(guān)電容器降壓穩(wěn)壓器，一個LDO及一個開關(guān)電容器的效率曲線。開關(guān)電容器具有一個模擬增益控制和增益變化以保持一個給定負(fù)載效率的持續(xù)性。開關(guān)電容器并具有離散增益步驟，由VOUT/(增益 *VIN)與離散增益來決定效率的高低。一個LDO僅有1的增益及三者中最低的效率。開關(guān)電容器(SC)穩(wěn)壓器則有三個不同的電壓增益(2/3，1/2和1/3)。我們可以看到，開關(guān)電容穩(wěn)壓器隨著VIN 的增長，電壓增益從2/3轉(zhuǎn)到1/2以及從1/2到1/3，因此整個負(fù)載范圍的效率達(dá)到最大化。這就帶來了在Li-ion 范圍上(3.4V到3.8V)80%的效率。在相同應(yīng)用中的一個LDO僅能達(dá)到50%的效率。根據(jù)電感器種類，一個典型的開關(guān)穩(wěn)壓器大約具有88-90%的效率。
傳統(tǒng)上，一個穩(wěn)壓器是要根據(jù)有效數(shù)量來進行比較。然而，由于Li-ion 電池的自身特性，根據(jù)時間權(quán)重效率或者“需要多長時間才能讓Li-ion充分放電？”來進行比較會更加有用。我們的經(jīng)驗顯示在200mA的負(fù)載下，使用一個典型開關(guān)穩(wěn)壓器的Li-ion 電池可以比使用開關(guān)電容穩(wěn)壓器的Li-ion 電池耐用達(dá)6%-8%。假設(shè)最大負(fù)載僅表現(xiàn)為時間的20%到30%(微處理器的情況)，那么在感應(yīng)開關(guān)和開關(guān)電容穩(wěn)壓器間的運行時間上的差別是可以忽略的。
開關(guān)電容穩(wěn)壓器的更多增益可能會增加一點點效率，但是卻要增加更多外部電容器和內(nèi)部功率FET，從而增加成本，同時也加大了解決方案的尺寸。上述的增益可以通過兩個外部電容器或快速電容器(CFLY)來取得。這些電容器用于存儲電荷并將電荷從VIN 傳輸?shù)?VOUT。除了快速電容(CFLY) ，我們還需要一個輸入電容器(CIN)，和一個輸出電容器(COUT)，輸入電容器(CIN)指示出電壓紋波，而輸出電容器(COUT)控制輸出電壓紋波。根據(jù)VIN 和 VOUT 可接受的紋波取值，CIN 和COUT 的典型值范圍是從1mF 到10mF 。CFLY 的數(shù)量通常比COUT 少。外部電容器(CFLY)通過內(nèi)部的功率FET在不同的配置中連接到芯片。圖3顯示出2/3, 1/2和1增益的不同配置。電容器C1和C2是快速電容器或CFLY。CIN和COUT已被刪除以達(dá)到簡化目的。如圖所示，一個增益通過兩相位間的交替變化來取得，其中包括充電相位或普通相位和放電相位。在不同的增益之間具有一個共同相位以便在增益間達(dá)到完美躍遷。我們可以通過共同相位，根據(jù)需要隨時進行增益躍遷。一個開關(guān)電容穩(wěn)壓器在芯片上可能有一個到2個功率FET。然而，一個開關(guān)電容穩(wěn)壓器可能在芯片上任何位置設(shè)有4個到9個或者更多的功率FET(根據(jù)離散電壓增益的數(shù)量)。這就限制了在既定的裸片尺寸下，開關(guān)電容穩(wěn)壓器的輸出電流性能。圖4在開關(guān)、開關(guān)電容器和線性穩(wěn)壓器間的負(fù)載性能、效率和尺寸上進行了比較。
要利用一個開關(guān)電容穩(wěn)壓器來調(diào)節(jié)輸出電壓，我們可以使用脈沖頻率調(diào)制(PFM)或脈沖寬度調(diào)制(PWM)。任何開關(guān)電容穩(wěn)壓器的輸出阻抗都與開關(guān)頻率和內(nèi)部功率FET的電阻成比例。通過調(diào)制輸出阻抗，我們便可以利用轉(zhuǎn)換器對既定負(fù)載進行降壓。通過使用回饋，我們能控制頻率(PFM)或內(nèi)部FET(PWM)的阻抗以調(diào)節(jié)輸出電壓。PFM方案是一個更傳統(tǒng)的方法，其缺陷在最近的PWM類架構(gòu)中被列出來。
在PFM類系統(tǒng)中，可以感應(yīng)到輸出電壓，當(dāng)這個電壓高于一個指定值時，穩(wěn)壓器就會關(guān)閉，等到輸出電壓降到所需值以下時再重新開啟。使用PFM控制模式的缺點是工作頻率取于VIN 和 ILOAD ，因此變化不定。負(fù)載越高、工作頻率就越接近指定頻率。這個操作范圍上的頻率變化在一些便攜式應(yīng)用中可能不大合適。輸入電壓紋波也取決于VIN 和 ILOAD。圖5顯示了250mA 和 30mA 負(fù)載的輸出紋波。10mF COUT 的輸出紋波將為50mV，我們可以看到250mA負(fù)載的紋波頻率高于10mA負(fù)載的紋波頻率。
比較新的PWM調(diào)控模式處理了PFM架構(gòu)中的各種頻率和高輸出紋波。大多數(shù)的新型開關(guān)電容穩(wěn)壓器都采用PWM調(diào)制模式。在這種模式下，功率FET的電阻根據(jù)VOUT 和 ILOAD進行控制。這樣做，我們就真正控制了快速電容器(CFLY)所提供的充電量。這也被稱為預(yù)調(diào)制。在這種模式下，操作頻率和工作周期都是固定的。一個PWM架構(gòu)的例子是LM2771，圖6顯示出它的輸出紋波。它處于一個帶有4.7mF COUT 的8mV -10mV的順序中。我們可以看到在ILOAD變化的情況下紋波可以持續(xù)。一個9mV的紋波輸出可以與在感應(yīng)開關(guān)穩(wěn)壓器中的紋波相媲美。
開關(guān)電容穩(wěn)壓器是種新興技術(shù)，它結(jié)合了開關(guān)電容器和LDO的主要特性，也就是將在Li-Ion 范圍上的高效率和小尺寸結(jié)合到一個適用于便攜式應(yīng)用的簡易解決方案中。最近拓樸技術(shù)的發(fā)展也使其通過被動元件的更小值來達(dá)到更低的噪聲。在便攜式器件中的許多功能要求一個降壓穩(wěn)壓器，更小的解決方案尺寸和更高的效率，這個開關(guān)電容穩(wěn)壓器解決方案正是一個理想的解決方案。
