适用的专用电源(08-100)

不同的应用，要求不同的设计参量。必须考虑系统尺寸、效率、灵活性和外部元件数，这些都要适合最终目的。

小尺寸对于手机用集成电路是重要的。然而，在导航系统中，由于是大显示和大形状因数，所以体积不是关键性问题。所设计的导航系统一次只工作几小时。固定在汽车仪表盘上的导航系统，由连接到汽车电池的12V适配器供电。适配器通常包含预稳压器来提供5V DC。通常用输入电压充电锂离子电池。电池充电器可以带或不带电源通路。

对于不带电源电路的充电器，电池是直接连接到负载，由充电器提供的电流在负载和电池之间分开。假若关断应用和没有负载电流，则充电器提供的全部电流充电电池。当应用接通时，充电电流降低，其部分电流用在应用中。然而，不能断定进入电池的电流，仅仅知道用于电池和应用的充电器总输出电流。

　　拓扑

在第二种充电器拓扑中，一个开关把电池和负载分离。若到充电器没有输入电压，则开关闭合，而电池连接到输出，对应用供电。当连接外部电源时，电池到电源输出的开关打开，而充电器输入到电源输出的第二个开关闭合。输入电压不是直接连接到输出就是预调整到高于电源电压100mV或到一个固定电压。第二个电路独立充电电池。带电源通路的充电器提供限制输入电流(来自汽车适配器或来自USB总线)的选择。可以独立设置充电电流。电池的充电电流不依赖负载，充电终端负载是精确的，而假若是外部供电，则输出电压可以等于输入电压。

与所用充电器类型有关的电源，其输入电压范围是不同的。最小工作电压通常由锂离子电池的最小电压确定，对于标准的锂离子电池、其最小电压可低到3V。最大电压依赖于充电器。没有电源通路的充电器(图2)，最大电压等于最大电池电压(一般为4.2V)。对于带电源通路的充电器(图3)，此电压可上升到5V以上。因此，希望电源在整个输入范围都具有良好的效率。这对于在电源芯片上集成有LDO(低压降线性稳压器)是重要的，因为其效率主要依赖于跨接在通路元件上的电压，此电压由输入和输出电压的电压差确定。

　　图2 无电源通路的充电器

　　图3 带电源通路的充电器

对集成电路方案，不必把电池充电器集成到电源管理单元(PMU)中。充电器可以配上适用的输入源和电池。充电器可以安置在靠近电池或输入连接器处，而PMU可放置在靠近所供电的处理器处。

　　集成电源选择方案

也有用于显示和显示背光及音频编译码器的集成电源方案。集成几个单元的器件变成用户专门器件。例如，TPS65024XPMU(图1)包含三个降压变换器，专门用于手机的I/O、存储器和芯核电压。另外三个LDO为需要非常低纹波，或低电流的电源电压提供电压轨。LDO1和LDO2可提供200mA输出电流，LDO3是专门的电压轨(Vdd-alive)，当应用处理器处于休眠模式时，需要接通它。输出电流能力是30mA，而LDO3电源电流仅为10 A，保持在休眠模式下尽可能小的来自电池的电流。

　　图1 TPS65024框图

最佳选择所有器件是具有低静态电源电流，不需要提供任何电流到输出，但仍然保持输出电压。此参量对于待机模式下工作长时间是关键性的。低静态电源电流改善待机时间，而且对于DC/DC变换器非常低输出电流下的效率也是一个重要参量。

　　高效率

DC/DC变换器(即降压变换器)的效率受3个因数影响。在高输出电流下，效率主要由内部电源开关的电阻决定，所以低电阻是重要的。

在降压变换器中，工作在固定频率脉宽调制(PWM)模式，占空比依赖于输入/输出电压比。对于低输出电压，内部低端开关(NMOS)导通时间远长于高端开关(PMOS)。对于高输出电压，大部分时间是高端开关导通。

对于10mA~200mA范围内的输出电流，开关电阻不是损耗的主要考虑，而电源开关的栅极电荷和电感器损耗决定效率。适合的开关频率到输出电流是在此工作范围内保持高效率的关键技术，此技术称之为脉冲频率模式(PFM)。PFM提供给输出一恒定能量，结果在高输出电流有较高的开关频率、在低出电流有低开关频率(具有低开关损耗)。在变换器有非常低输出电流时，由静态电流电源引起的恒定损耗决定效率。

TPS650240对于Samsung应用处理器应用是最佳的(表1)，这种应用处理器要求1V(在低电压模式)和1.3V(在正常工作模式)芯核电压。为使外部元件最少，降压变换器1具有固定3.3V或2.8V输出(专用于I/O电压)。变换器2是用于2.5V或1.8V存储器。变换器3的输出电压可在1V和1.3V之间变化，这取决于数字输入(DEFDCDC3)的状态(见图4)。因此，不需要外部元件来设置两个降压变换器的电压。为了保持灵活性，可以连接一个外部电压分压器来设置变换器1和2输出电压在0.6V到输入电压(Vbat)范围(图4)。 

　　图4 设置变换器1和变换器2的输出电压

　　表1 TPS65024X功能

TPS65024X中的两个LDO具有一个分开的输入电压引脚，可使1.5V~6.5V范围内的任何电压供电LDOS。LDO3由输入电压引脚Vcc内部供电。另外，内部的电压比较器可以用于检测电压是否低于一定的阈值，并告警应用处理器。所有的TPS650240X器件都设计成在电压和电流范围内最高效率时保持损耗最小。(彭京湘)