利用VLDO稳压器实现便携式产品的低压差电源设计

便携式产品的电路工作电压越来越低，简单的线性低压差稳压器和开关稳压器难以实现高效率转换，而非常低压差(VLDO)稳压器由于压差低于300mV，是这种电源的理想解决方案。本文介绍了这种低压差电源设计需要考虑的问题，以及如何基于VLDO稳压器实现高性能设计。

图1：当前蜂窝电话的方框图。

今天，大多数由电池供电的手持产品都具有某种形式的无线通信功能，甚至蜂窝电话也有很多功能，而不仅限于通话应用。目前最新型的蜂窝电话持网络浏览、无线传输电子邮件、拍照片，甚至播放视频。

一个新出现的趋势是，蜂窝电话中还包括一个使电话具有高容量存储能力的微型硬盘驱动器，从而使这些电话能作为MP3播放器使用。很明显，要把这些功能塞进一个外形尺寸已经很有限的产品中，同时还要获得更长的工作时间，蜂窝电话制造商面临着越来越大的压力。

从图1所示的方框图中很容易理解，功能越多，在不同的功率级上就需要越多的低压输出电压。蜂窝电话中的主电源电压过去常常是3.3V，而大多数较新的蜂窝电话设计采用1.5V主电源电压。原因是大多数系统IC和电路都工作在1.5V或更低的电压上，例如1.2V的DSP内核。

电源转换设计需要考虑的问题

较低的电源转换效率将产生热量，这种热量来自能量传递过程中稳压器的功率损失。在蜂窝电话内部没有起冷却作用的风扇或散热器，只有一块密集排列着元器件的印刷电路板和一块电池。因此，热量没有从产品中散出去的途径，这种热量会缩短电池寿命并可能影响产品的可靠性。

图2：由于陶瓷电容器的 抽头所引发的噪声。

效率是用输出功率除以输入功率得出的，或者用负载功率除以输入功率。应该特别指出的是，输入电压和电流必须在DC/DC转换器的所有外部组件之前的节点处测量，同样输出电压和电流也必须在DC/DC转换器的所有外部组件之后测量。

由于电源转换过程中产生了热量，因此必须重新考虑应该采用什么类型的稳压器。制造商们已经采用了开关稳压器而不是较简单的线性低压差稳压器，因为开关稳压器具有较高的工作效率。当主电源电压是3.3V时，这么做是有意义的。但是，随着较新的设计采用了1.5V电压，继续采用开关稳压器就未必合适了。

表 1
列出了不同类型稳压器的优点和缺点，这些稳压器可用来满足蜂窝电话的电源转换需求。这里有3种选择：线性低压差稳压器、无电感器型开关稳压器(也称为充电泵)和普通开关稳压器(有电感器)。

线性低压差稳压器被认为是最简单的稳压器，由于其本身存在DC电压转换 ，所以它只能把输入电压降为更低的电压。它最大的缺点是在热量管理方面，因为其转换效率近似等于输出电压除以输入电压的值。例如，如果一个LDO的输入电源是标称值为3.6V的单节锂离子电池，在电流为200mA时输出1.8V电压，那么转换效率仅为50%，因此在电话中产生了一些发热点，并缩短了电池工作时间。不过，虽然就较大的输入与输出电压差而言，确实存在这些缺点，但是当电压差较小时，情况就不同了。例如，如果电压从1.5V降低到1.2V，那么效率就变成了80%。

图3：LT3021(1.5V固定输出) 在500mA时把电压从1.8V降至1.5V 的原理图。

当输入与输出的电压差较高时，开关稳压器避开了所有线性稳压器的效率问题。它通过使用低电阻开关和磁能量存储单元实现了高达96%的效率，因此极大地降低了转换过程中的功率损失。由于工作在超过2MHz的高开关频率上，所以外部电感器和电容器的尺寸可以极大地缩小。开关稳压器的缺点较小，通常可以用好的设计技术来克服。

但是，当采用1.5V主电压并需要降压至1.2V以便为DSP内核供电时，开关稳压器就没有明显的优势了。实际上，开关稳压器不能用来把1.5V电压降低至1.2V，因为无法完全提升MOSFET的性能(无论是在片内还是在片外)。标准低压差(LDO)稳压器也无法完成这个任务，因为其压差通常高于700mV。理想的解决方案是采用一个VLDO稳压器，在这种稳压器中，输入电压范围接近1V，其压差低于300mV，内部基准接近0.5V。这样的 VLDO稳压器可以非常容易地把电压从1.5V降低至1.2V，并能够以80%的效率实现这样的降压。因为在这一电压上的功率级通常为100mA左右，那么24mW的功率损耗是可以接受的。

VLDO稳压器的特点和设计考虑因素

很明显，用于上述应用的VLDO稳压器需要低的输入电压、输出电压和压差。此外，因为便携式无线产品通常是由电池供电的，那么VLDO稳压器还应该能够保护自己免受反向输入和反向输出电压的影响。最后，VLDO稳压器还应该能够用具有低等效串联电阻(ESR)的电容器，并具有极佳的电压和负载调节功能以及快速瞬态响应。

即使一个采用VLDO稳压器的设计用各种输出电容器都能保持稳定，出于尺寸和成本考虑，这个设计仍然应该为低ESR的 陶瓷电容器优化。不过，输出电容器的 ESR影响稳定性，最明显的情况是使用小电容器的时候，因此确保合适的电容和 ESR值很重要。使事情更加复杂化的是，在低压器件中

表1：线性稳压器与开关稳压器的比较。

此外，采用陶瓷电容器时还需要格外小心。制造商们制造陶瓷电容器时采用不同的电介质材料，每种电介质在不同温度以及加上不同电压时的表现都不同。最常用的电介质是Z5U、Y5V、X5R和X7R。Z5U和Y5V用于小封装和低成本的高C-V产品，但是它们的电压和温度系数很高。X5R和X7R电介质具有稳定的特性，更适用于成本稍高的输出电容器；X5R和X7R电介质都具有极佳的电压特性；X7R型可在较宽的温度范围内工作，并具有较好的温度稳定性；X5R较便宜，并可以具有较高的电容值。此外，电压和温度系数并不是惟一的“麻烦制造者”，陶瓷电容器还具有压电效应。压电器件由于机压力而在器件两端产生电压，类似于压电加速计和麦克风的工作方式。就陶瓷电容器而言，这种压力能由系统中的振动或热量的瞬变过程引起。由此产生的电压可能引起数量相当可观的噪声，参见图2。

VLDO线性稳压器--LT3021

幸运的是，有很多模拟IC制造商可以生产这类VLDO稳压器，例如凌特公司的LT3021。LT3021的输入电源电压可以低至0.9V。这个器件在160mV的典型压差时提供500mA输出电流，该器件的应用原理图参见图3。

这个稳压器用电容值低至3.3uF的低ESR输出陶瓷电容器来优化稳定性和瞬态响应。其内部集成的保护电路包括电池反向保护、限流、具有迟滞的热限制和反向电流保护。

作者：Tony Armstrong

电源产品部

Email: tarmstrong@linear.com

凌特公司产品市场经理