实用电源设计Q&A系列之三--电源管理芯片在便携式产品的应用

Q1: 这个问题问得非常典型，其实一般的LDO是起到稳定电压的作用，它对温波造成的控制抑制基本集中在10K以下，在典型的LDO数据手册里面， 在10K或是100K以下的PSR通常是在40DB以下，因为此时的LDO误差放大器基本上已经失去了放大能力。对于实际的需求来说，很多DCDC电源它的温波频率是在几百K甚至上兆，如果是一个普通的LDO，对于这样的噪声抑制没有任何能力，它只对声频范围有抑制能力，对于需要射频应用的场合，LDO通常是无能为力的，而高PSR的LDO则能提供这方面的抑制，所以这也是一个根本上的完全不同的区别。

A2: DC/DC一般外接什么电容？钽电容还是陶瓷电容？

Q2: 一般在便携式的应用里面，外接哪些电容在应用的角度上问题不大，反而是因为今天在做便携式的产品，一般都会有高度和空间的限制，比如同样的电容可能会比较不适合，像钽电在之前还是比较流行，因为它可以做到比较小的串联阻抗，在状态的响应下比较好，但是钽电会有环保的问题，主流市场上已经很少有人在用，现在市场上便协携式的应用中以陶瓷为主。其实在DCDC的应用中，电源的选择需要这样的电容，所以我们在设计大DC/DC的时候会考虑到能否使用陶瓷电容，特别是LDO的部分，大家可以看到之前LDO的Datesheet,特别标明了可以用钽电，实际上可以用钽电并不是一个很好的优点，所以未来的趋势是用陶瓷电容，基本上在LDO的应用上面，输出电流里的电源阻抗会影响到环路的稳定性，所以在早期希望用钽电，但是如果你的静面设计可以使用陶瓷电容，在设计成本和空间上会更有优势。

A3: 能否详细同步整流的原理？

Q3: 同步整流是应用在便携式设计上的趋势，大家如果知道DC/DC的电源架构，可以从这方面来了解。一般在电感式的DC/DC中，主要有三种架构，一种是升压，一种是降压，另一种是负压。这三种架构的原理都非常简单，基本是由一个电杆，一个主动的开关和一个二极管来达成，只是它们接的方法不一样，为什么会有这种同步架构出现呢，主要是因为在传统的架构里，用了二极管在里面，其实它的作用是用在升降压上面，一般的二极管在2.7V左右，模丝管可以降到0.4V或0.3V，就算降到0.4V或0.3V，它的损耗还是相当大的，一般可能会大到10几倍以上的范围，所以在便携式的产品里面很注重效率，一般会采用同步的方式，就是将二极管换成模丝管，它的好处是可以提升效率，但是它的问题是用芯片来控制模丝管的时候必须能够交错的turn on,turn off.让两个开关同时导通，不然会造成输入和输出的短路，所以一般在同步的架构里面设计的难度来自于芯片商，更大的挑战是当芯片越来越小的时候，会把切换频率拉高，可以把电容和电杆一并缩小，但是在开关切换的过程中时间越短，在做这种控制的时候有一定的难度。从使用者的角度来看差别不大，主要是体积可以缩小，使用同步的架构是便携式趋势。

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A4: 如何选用电源管理芯片？我有12V的电压输入，能不能直接用一个TPS7333直接获得3.3V输出？

Q4: 这是一个很典型的例子，如何选择LDO或DC/DC来做到，一般从成本考虑，我们会首先考虑LDO，LDO的优点是输出温波较小，输出非常干净，成本低，设计简单，但是它带来的负面效应就是它的效率比较差，LDO的效率好不好是从输入和输出的压差来看，在今天的应用上面LDO的输入和输出压差非常小，用V in/V out,你会发现它的效率还是不错的；反过来，如果输入和输出的压差很大的话，效率会很差。以便携式的产品来讲，这种状况是不能接受的，如果是一般桌上型产品的应用，效率可能就不是那么重要，反而考虑的是如何散热的问题，所以根据你的输出电流可以算出压差造成的损失和热有多少，如果这个问题没办法解决我们还是建议回到DC/DC的应用，因为此时已经不是效率的问题，是散热部分的问题，如果散热无法解决机器就无法运转，最后的电路成本可能会比DC/DC来得高。

A5: RDS是什么意思？

Q5: RDS是指模丝管本身的等效阻抗，通常看参数是在DC/DC或LDO里面，因为一般都是使用模丝管来做控制的元件，我们会去特别注意它在导通时的阻抗，我们会看到一个所谓RDS的规格，这个代表模丝管从极级到元极，当开关完全打开的时候的等效阻抗，等效阻抗代表的意义可以 从两个部分来看，以DC/DC来说，因为开关的动作永远是打开或关闭，打开的时候是个导通的路径，这时候所有的电流流过上面会造成一个损失，会直接影响DC/DC的效率，如果DC/DC的效率要做得高，方法就是减少RDSR，就是要die的面积做大，这样会增加成本，所以一般会根据输出电流和整体DC/DC效率的优化来考虑RDSR的设计；以LDO来讲，RDSR代表的意义是当输出电压一直降到没有办法regulation的时候，这时候的输入和输出是没有再控制的，输入电压和输出电压的差就是RDSR流过的电流，这个压差我们称之为drop out,一般LDO可以操作的输出电压最低可以用drop out值，drop out值越大，RDSR就越大，成本会很低，但是LDO的输入范围就会变窄，反过来如果希望LDO的输入电压比较宽，RDSR就要做得小一点，成本同样会增加。

A6: 充电器是如何区分插墙的还是USB的？

Q6: 一般在充电的应用上面，有两个充电的source，一个是USB，一个是adapt。在charger的选择上面，会考虑单输入还是双输入的，以充电IC本身来讲，它的输入口两个是分开的话，斟测上会比较容易，因为USB的口一定是从USB进来，只要检测到电压就知道USB已经有连接了。现在比较大的问题是，在新的充电趋势下，比如最近中国政府对于充电器的规格，希望能统一充电器的规格为一个mini或mini USB的规格，这种情况下，手机就只剩一个mini USB,实际在连接的时候有可能是从笔记本或电脑来充电，这时候从USB供电电流最大是500安培；另外一种状况可能是从adapt来供电，充电电流可以到1安培，不同的输入源进入手机可能是同一个mini USB，在这样的设计上面对USB电源的检测会有一定的难度，不能只靠电源的斟测，就算检测到有电压也很难判断是从USB或从adapt进来。以TI目前的充电器BQ24070来讲，可以斟测输入是不是有电压，但是没有办法告诉系统现在的电是USB还是adapt，必须靠数字的部分像是USB的transver上面来做communication告诉充电器，这是一个比较实际的方法，USB接上来的时候在数字上面需要communication来判断是否可以做资料的传输或档案的下载。

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A7: 对于高速DSP，电源设计要注意什么，TI会推出哪些新的电源管理芯片？

Q7: 高速DSP通常电源要求非常复杂,可能也会工作在动态的模式下,反应也非常快,那我想简单的从基本的角度来讲,对于多电源体系,通常要求对上电时序的控制,这个是很重要的一点,另外在某一些多电源体系里面,某一些关闭的时候,我们通常要求他能够实现一个彻底的关闭.比如我把某一个LDO关掉，这时LDO上的电流,他们的电路还是存在的，所以他的电容可能处于长时间的和电状态,他的电压一直不会降到零,然后一直从3.3降到2.8,甚至1.1,这是一个很长的缓慢的过程,这个时候可能导致我们平常所称的模拟器件的记忆效应,由于这个电源的存在呢，使的一些高速器件,数据管理器件上电负位不能准确的完成,所以开发市场的就会发现,他不能每次准确的开机,甚至有些产品在用户手里也会出现这种情况,就是因为他每次的上电不是从0的开始,所以TI在PMU里面,我们向LDO的有源切放,通过一个有源的内部控制电路把输出电源的电放光,从而确保多电源体系在每次上电的时候是一个纯粹的从0开始的过程,所以对于高速的DSP来讲,电源放电需要照顾很多放电的公式,还要兼顾消耗的电荷,比如DSP进入低频模式,或者进入STANBY 模式的时候,需要做一些调整,就需要一些功能,如刚刚有人提出TI有没有PMU到PWN,转换,TI 的产品是支持的,只是很难讲说是不是TI的一个DSP是不是完全COVER需求,但是基本上我们能够满足问题所讲的要求.当然如果还有问题的话，可以找我们的工程师帮你找到一个量身定制的方案。

A8: 请问，在一个需要十几路电源的便携式电路系统中，如何考虑高集成度电源管理IC和分立IC的搭配？

Q8: 一般在多电源的系统里面,也是一个未来的趋势,像在现在便携式的设计上面,因为现在是相同的体积,不管是手机或PMP或PDA等应用,现在都要塞越来越多的功能进去,所以在电源的分布上也会越来越困难,从实际来讲,有几个问题,第一你要怎样做芯片的PLACEMENT,比如芯片的集成是一个趋势,但一旦集成进去后,比如你有10个CHANNEL的电源IC,你要怎么样放在你的系统里面,放在中央可能拉的太远,放边边,可能有一些LAYOUT又走不过去,特别对电源管理芯片来讲,他比较大 问题是,你放了一个大的芯片在上面,你以为你选择的体积非常小,SOLUTION 非常好,可是当你的集成度太高的时候,今天要走的TRACE横跨半个PCB板到另一头去,在这种情况下,TRACE 一般也比较粗,所以你因为选择高集成度的芯片,你的布线可能比你选择某个分离的还高,所以在新的设计里面,选择电源管理芯片是非常重要的,那离散型的当然有他PLACEMENT 的好处,那如果非常高度的集成,你在LAYOUT上又会延伸出非常大的困难,所以一般我们会建议选择集成的芯片 ,但是集成度不要太高,比如我们刚刚讲的电源管理芯片,他可能是两路DCDC为主,然后几个LDO给周边的电路再应用,一些比较远的部分,可以采用离散的或另外一组电源管理芯片来做,那针对我们刚刚讲的部分还包括你可以把组芯片的电源供应分离DISPLAY,还有BATTERY的一些电源管理芯片去做分开,这样在布局和设计上会方便很多,那在COST 和TOTAL SOLUTION的面积上都会比较好。

更多设计细节，请参考

《电源管理芯片在便携式产品的应用》