开关电容稳压器 (06-100)

当今移动电话产业日益增长的趋势是要减少对核处理器电压供应，同时要满足达到更高效率以扩展电池寿命的要求。越来越多应用都要求降压转换，如应用处理器、存储器和RF块设计都被列在其中。根据负载和空间参数，目前，用于这个应用空间的两个最流行的解决方案是开关稳压器和低压降(LDO)稳压器。

从效率的角度看，一个开关稳压器就是最佳的选择。然而，当部件高度和解决方案的尺寸限度超出了电感器的使用范围时，一个转换器可能会采用LDO(低压降)或开关电容稳压器的形式。多数时候电源解决方案都不能提供较多的板上空间，一个开关转换器就会有一个比LDO和开关电容稳压器更大的解决方案尺寸。图1将典型的开关稳压器与LM2770(一个典型的开关电容稳压器)在解决方案尺寸上进行比较。我们可以看到显示出来的开关电容器的解决方案尺寸大约为45mm2，当所要求的电压与电池电压相近的时候LDO的工作效率是最高的，但当电压的偏离值很远时，LDO效率就会很低。想象一下以一个充电至3.6V的Li-Ion电池，为一个仅要求1.5V电压的微处理器供电。把电池电压与一个1.5V LDO相连接可为微处理器产生一个稳定和小的电流，但是功耗是相当显著的。LDO消耗功率(PD)等于负载电流(ILOAD)与输入和输出电压的差相乘(PD = ILOAD *(3.6-1.5) = ILOAD *2.3V)。换句话说，LDO作为一个降压转换器在这个例子中仅产生42%的效率。这意味着LDO不得不消耗剩余功率，而且这能引起裸片温度的一个大的增高，这个温度进而可能会引起可靠性的问题。

由于具有电压增益的关系，一个开关电容稳压器是比线性稳压器更有效的解决方案，这个电压增益是通过在双相位(充电相位和传输相位)中的堆叠电容器和并行电容器所取得的输入电压与输出电压比率。例如：位于增益配置中的一个开关电容转换器的1/2将把一个3.6V的输入电压(VIN)转变为1.8V的输出电压(VOUT)。如果要求的电压(VOUT)是1.5V，那么功耗仅为300mV与负载电流的乘积。这相当于83%的效率。

随着VIN的增长，由转换器产生的VIN和VOUT 间的增量增长引起功率消耗的增长和效率的下降。解决这个问题的一个方式是转变成一个更高的效率增益，就像给汽车替换齿轮一样。图2显示了一个开关电容器降压稳压器，一个LDO及一个开关电容器的效率曲线。开关电容器具有一个模拟增益控制和增益变化以保持一个给定负载效率的持续性。开关电容器并具有离散增益步骤，由VOUT/(增益 *VIN)与离散增益来决定效率的高低。一个LDO仅有1的增益及三者中最低的效率。开关电容器(SC)稳压器则有三个不同的电压增益(2/3，1/2和1/3)。我们可以看到，开关电容稳压器随着VIN 的增长，电压增益从2/3转到1/2以及从1/2到1/3，因此整个负载范围的效率达到最大化。这就带来了在Li-ion 范围上(3.4V到3.8V)80%的效率。在相同应用中的一个LDO仅能达到50%的效率。根据电感器种类，一个典型的开关稳压器大约具有88-90%的效率。

传统上，一个稳压器是要根据有效数量来进行比较。然而，由于Li-ion 电池的自身特性，根据时间权重效率或者“需要多长时间才能让Li-ion充分放电？”来进行比较会更加有用。我们的经验显示在200mA的负载下，使用一个典型开关稳压器的Li-ion 电池可以比使用开关电容稳压器的Li-ion 电池耐用达6%-8%。假设最大负载仅表现为时间的20%到30%(微处理器的情况)，那么在感应开关和开关电容稳压器间的运行时间上的差别是可以忽略的。

开关电容稳压器的更多增益可能会增加一点点效率，但是却要增加更多外部电容器和内部功率FET，从而增加成本，同时也加大了解决方案的尺寸。上述的增益可以通过两个外部电容器或快速电容器(CFLY)来取得。这些电容器用于存储电荷并将电荷从VIN 传输到 VOUT。除了快速电容(CFLY) ，我们还需要一个输入电容器(CIN)，和一个输出电容器(COUT)，输入电容器(CIN)指示出电压纹波，而输出电容器(COUT)控制输出电压纹波。根据VIN 和 VOUT 可接受的纹波取值，CIN 和COUT 的典型值范围是从1mF 到10mF 。CFLY 的数量通常比COUT 少。外部电容器(CFLY)通过内部的功率FET在不同的配置中连接到芯片。图3显示出2/3, 1/2和1增益的不同配置。电容器C1和C2是快速电容器或CFLY。CIN和COUT已被删除以达到简化目的。如图所示，一个增益通过两相位间的交替变化来取得，其中包括充电相位或普通相位和放电相位。在不同的增益之间具有一个共同相位以便在增益间达到完美跃迁。我们可以通过共同相位，根据需要随时进行增益跃迁。一个开关电容稳压器在芯片上可能有一个到2个功率FET。然而，一个开关电容稳压器可能在芯片上任何位置设有4个到9个或者更多的功率FET(根据离散电压增益的数量)。这就限制了在既定的裸片尺寸下，开关电容稳压器的输出电流性能。图4在开关、开关电容器和线性稳压器间的负载性能、效率和尺寸上进行了比较。

要利用一个开关电容稳压器来调节输出电压，我们可以使用脉冲频率调制(PFM)或脉冲宽度调制(PWM)。任何开关电容稳压器的输出阻抗都与开关频率和内部功率FET的电阻成比例。通过调制输出阻抗，我们便可以利用转换器对既定负载进行降压。通过使用回馈，我们能控制频率(PFM)或内部FET(PWM)的阻抗以调节输出电压。PFM方案是一个更传统的方法，其缺陷在最近的PWM类架构中被列出来。

在PFM类系统中，可以感应到输出电压，当这个电压高于一个指定值时，稳压器就会关闭，等到输出电压降到所需值以下时再重新开启。使用PFM控制模式的缺点是工作频率取决于VIN 和 ILOAD ，因此变化不定。负载越高、工作频率就越接近指定频率。这个操作范围上的频率变化在一些便携式应用中可能不大合适。输入电压纹波也取决于VIN 和 ILOAD。图5显示了250mA 和 30mA 负载的输出纹波。10mF COUT 的输出纹波将为50mV，我们可以看到250mA负载的纹波频率高于10mA负载的纹波频率。

比较新的PWM调控模式处理了PFM架构中的各种频率和高输出纹波。大多数的新型开关电容稳压器都采用PWM调制模式。在这种模式下，功率FET的电阻根据VOUT 和 ILOAD进行控制。这样做，我们就真正控制了快速电容器(CFLY)所提供的充电量。这也被称为预调制。在这种模式下，操作频率和工作周期都是固定的。一个PWM架构的例子是LM2771，图6显示出它的输出纹波。它处于一个带有4.7mF COUT 的8mV -10mV的顺序中。我们可以看到在ILOAD变化的情况下纹波可以持续。一个9mV的纹波输出可以与在感应开关稳压器中的纹波相媲美。

开关电容稳压器是种新兴技术，它结合了开关电容器和LDO的主要特性，也就是将在Li-Ion 范围上的高效率和小尺寸结合到一个适用于便携式应用的简易解决方案中。最近拓朴技术的发展也使其通过被动元件的更小值来达到更低的噪声。在便携式器件中的许多功能要求一个降压稳压器，更小的解决方案尺寸和更高的效率，这个开关电容稳压器解决方案正是一个理想的解决方案。