TI工程師教你如何正確選擇電源IC

TI工程師教你如何正確選擇電源IC正確選擇電源的集成電路(IC)外表上看似易如反掌。然而，隨著需要多電源電壓軌的消費類電子產(chǎn)品的推出，這項工作變得愈發(fā)復(fù)雜。中選擇實際工作中所需的IC時，必須考慮本錢、解決方案的外形尺寸、電源、占空比以及所需的輸出功率等諸多因素。另外，必須根據(jù)重要性和相應(yīng)選擇的電源，對這些因素進行排序。在本文中，我們將確定附圖1所示電源的最正確解決方案。例如應(yīng)用中采用的是便攜式電源，同時要求最大程度地降低功耗以及減小封裝尺寸、并由一塊單體鋰離子電池供電(12V供電電源對其進行不間斷充電)。我們想最大限度的降低本錢，但是，這種本錢的降低只能以犧牲空間的方式為代價，而空間是最重要的要求條件。其次，就是最大限度的提高效率來延長電池的使用壽命。選擇最正確的拓撲結(jié)構(gòu)首先，我們要檢查各電源軌的功率要求，以確定應(yīng)采用何種DC/DC轉(zhuǎn)換器(如感應(yīng)式轉(zhuǎn)換開關(guān)、線性調(diào)節(jié)器或充電泵)。通常情況下，感應(yīng)式轉(zhuǎn)換開關(guān)是獲取最高效率的最正確選擇。而感應(yīng)式轉(zhuǎn)換開關(guān)電路需要一個轉(zhuǎn)換組件、一個整流器、一個電感器以及假設(shè)干輸入和輸出電容器。在很多應(yīng)用中，可通過選用IC轉(zhuǎn)換組件和整流器均可實現(xiàn)器件的高度集成以此來縮小解決方案的尺寸。而且，上述電路的效率通常介于80%至96%之間，具體數(shù)值要視負載情況而定。由于電感器的尺寸所致，因此開關(guān)轉(zhuǎn)換器通常需要更大的空間，而且其價格一般也比擬昂貴。另外，由于轉(zhuǎn)換的存在，開關(guān)轉(zhuǎn)換器也會從電感器和輸出端的噪聲中產(chǎn)生電磁干擾(EMI)輻射。低壓降線性調(diào)節(jié)器(LDO)通過降低旁路組件兩端的輸入電壓來降低直流電壓。這種拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于只需配置三種部件(旁路組件、輸入/輸出電容器)。通常來說，LDO比擬廉價，而且產(chǎn)生的噪聲比感應(yīng)式轉(zhuǎn)換開關(guān)低得多。由于該器件的輸入電流和負載電流相同，因此采用該解決方案的效率等同于輸出/輸入電壓的比值。然而，該方案的缺乏之處就是當輸入/輸出電壓的比值較大時，那么其效率較低。而且，所有的功率都被旁路組件消耗掉了，這也就是說，對于輸入/輸出差額懸殊的大電流應(yīng)用而言，LDO并非是上佳之選。因為在大功率的應(yīng)用中，需要配置散熱裝置，所以這將增大解決方案的尺寸。充電泵通過采用“快速〞電容器(作為存儲組件)來提高/降低直流電壓或改變其極性，同時采用內(nèi)部開關(guān)來連接電容器，使其能夠進行所需的DC/DC轉(zhuǎn)換。一般而言，充電泵要比感應(yīng)式轉(zhuǎn)換開關(guān)的本錢低，而且不會產(chǎn)生電磁干擾。但是，充電泵的輸出紋波通常比感應(yīng)式轉(zhuǎn)換開關(guān)大，充電泵在輸出功率方面也受到限制。同時，其瞬態(tài)響應(yīng)受到快速電容器充電速率的限制。另外，在輸入電壓和輸出電壓相當?shù)膽?yīng)用中，充電泵的效率通常相當?shù)汀Ｓ谑牵瑸榱诉M一步減小解決方案的尺寸，有許多多輸出IC可供選擇。這些IC通常包括集成的MOS場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，同時至少要求配置有外部組件。而且，單就這些IC而言，其本錢或許更為昂貴。但是，通過減少生產(chǎn)過程中必須安裝到位的外部組件數(shù)量所獲得的收益，往往會抵消前期付出的高昂本錢。采用何種拓撲結(jié)構(gòu)呢？在如圖1所示的實際應(yīng)用中，由于空間的限制，所以LDO將成為我們的首選。然而，由于功耗和效率的限制，實際情況并非總是如此。就拿5V、2A的電源軌來說吧，顯而易見，需要選用一個開關(guān)轉(zhuǎn)換器。在這種情況下，一個LDO的功耗為14W，功耗顯然過高。然而，對這種電源軌而言，感應(yīng)式降壓轉(zhuǎn)換器將是最正確選擇。接下來，我們將對電池充電器進行分析。該電池通過5V的電源軌鋰離子電池。但是，由于實際應(yīng)用中空間的局限性，因此，線性充電器將是一個不錯的選擇。因為只有當12V電源適配器正常工作時，電池充電器才能起作用，因此，其對充電效率的考慮并不多。然而，當所選擇的電池峰值充電電流深度放電后，電壓降至3V時，必須引起足夠的重視，并限制電池充電器的散熱?！τ?.5V的電源軌來說，選用開關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器和LDO都行得通。但是，如果選用后者，效率將維持在25%左右的范圍，而且需要100mA的輸入電流。如果替換為降壓轉(zhuǎn)換器，效率將超過90%，而且需要的輸入電流僅為30mA。另外，有許多外形非常小巧的開關(guān)轉(zhuǎn)換器解決方案，而這些解決方案能夠提供所需的輸出功率。因此，LDO電路的大小是不可估量的。為了最大程度的延長電池的使用壽命，降壓轉(zhuǎn)換器當屬理想之選。軌而言，上述兩種拓撲結(jié)構(gòu)都可以發(fā)揮作用。由于需要的電流小、輸入/輸出差值較低，所以LDO堪稱最小封裝器件的上佳選擇。軌而言，開關(guān)轉(zhuǎn)換器為最正確之選。由于所要求的負載高(300mA)、輸入/輸出差值大，所以LDO的功耗將非常大，而且效率極低。軌軌相同的邏輯分析方法，我們得出了這樣一個結(jié)論—選用開關(guān)轉(zhuǎn)換器。但是，之后探討的其他因素說明，應(yīng)選用LDO。軌而言，由于要求輸出電流大，因此，選用開關(guān)轉(zhuǎn)換器當屬上佳之選。為實際工作需要選擇最正確的IC考慮到組件尺寸和本錢方面的局限性，所選用IC的集成度應(yīng)盡可能高。為此，所選用的全部IC都集成了MOSFET，這樣，不僅降低了解決方案的尺寸而且還降低了生產(chǎn)本錢。此外，除了減少材料清單以外，由于組件數(shù)量的減少，同時也降低了安裝各電路板的本錢，從而進一步降低了整個解決方案的本錢。另外，還有多輸出IC可供選擇，這種IC能更進一步的減小我們解決方案的尺寸。如果再次從5V的電源軌開始分析電路的有關(guān)情況，那么對于5V電源軌而言，最正確的解決方案為TPS5431。因為其寬輸入范圍(5.5V至23V)，所以能夠滿足12V±10%的輸入電壓變化。而且，當將輸出電壓調(diào)低至1.2V時，TPS5431還能輸出高達3A的電流。由于開關(guān)MOSFET和補償組件集成在一起，因此95%的效率能夠滿足電池供電的要求。該器件采用SO-8封裝，從而實現(xiàn)了非常小型的解決方案尺寸。接下來，我們將分析電池充電器，其有數(shù)種解決方案可供選擇。例如，小尺寸電池充電器ICbq24010就是一種不錯的選擇，其采用3×3mmQFN封裝。該解決方案的尺寸相當小，只需三個外部組件。但是，對于我們的應(yīng)用而言，還有一款更佳的解決方案—TPS65010，該解決方案是一款針對鋰離子供電系統(tǒng)的電源和電池管理IC。由于TPS65010集成了兩個開關(guān)轉(zhuǎn)換器(VMAIN和VCORE)、兩個LDO(LDO1和LDO2)以及一個單體鋰離子電池充電器，所以其非常適合我們的應(yīng)用要求。除了上述電源軌軌軌軌軌供電。此外，使用TPS65010可以大幅縮小解決方案的尺寸并降低外部組件的數(shù)量。電源軌可由降壓轉(zhuǎn)換器(如TPS62201)提供電源。TPS62201采用6引線SOT-23封裝，而且它只需三個外部組件(一個輸入和輸出電容器、一個電感器以及兩個反應(yīng)電阻器)。這就實現(xiàn)了解決方案尺寸的小型化。但是，為了提高效率，這種器件的輸入端應(yīng)連接至TPS65010器件3.3V的MAIN輸出端。最終的解決方案根據(jù)以前分析，我們可以找到最終的解決方案，如附圖2所示。如果不具備I2C接口，我們將何以應(yīng)對？在應(yīng)用過程中如果不具備I2C接口，那么我們就無法使用TPS65010。在這種情況下，TPS75003將被派上用場。TPS75003包含兩個3ADC/DC降壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器以及一個300mALDO。這種器件的輸出大小可根據(jù)實際需要進行調(diào)節(jié)，其集成了三條電流最大的電源軌。1.25V和3.3V電源軌將由開關(guān)轉(zhuǎn)換器供電，而由于較低的電流要求，因此1.65V的電源軌將由LDO供電。剩下的2.5V電源軌由一條小型的LDO電路輕松供電。TPS71525采用SC-70封裝，其外形尺寸極為小巧，非常適用于陶瓷輸出電容器。軌供電。然而，TPS76925控制電路需要在輸出端配置一只最小值的等效串聯(lián)電阻，以實現(xiàn)電路運行的穩(wěn)定性，因此，這將可能與電路尺寸方面的限制發(fā)生沖突。系統(tǒng)效率差異的計算對于本次探討分析，我們事先假定所有的電壓軌自始至終都處于工作狀態(tài)，而實際工作中情況卻很少如此。通常在采用感應(yīng)式轉(zhuǎn)換開關(guān)的情況下，為了最大程度的減小解決方案的尺寸，LDO或許是一個不錯的選擇。而且，通過計算各拓撲結(jié)構(gòu)之間的效率差異，就能夠確定該選用何種解決方案。通過輸出端啟用的時間百分比(占空比)，我們就能夠確定每條電源軌對解決方案整體效率的影響。首先，通過累加各電源軌的有效功率，可求出輸出總有效功率：式中Pi表示一條輸出電源軌的輸出功率，Di表示同一電源軌的占空比。接下來，我們計算每一電源軌上的功率損失：然后，累加各條電源軌的功率損失，以求取總功率損失：式中ηi表示各輸出電源軌的效率。然后，我們計算出每條電源軌對整體系統(tǒng)效率的影響：通過累加各電源軌系統(tǒng)的效率或采用以下公式，即可求出整體系統(tǒng)效率：例如，如果我們前面確定的3.3V、420mA電源軌應(yīng)由開關(guān)轉(zhuǎn)換器供電，且其啟用時間僅占運行時間的10%，那么采用LDO替代該轉(zhuǎn)換器，整體效率的下降幅度將不會超過0.75%。具體情況請參閱附圖3〔表1〕。端一直處于開啟狀態(tài)，那么采用LDO替代該感應(yīng)式轉(zhuǎn)換器將使整體效率下降近4%。顯然，這是兩種極端情況，但是它們說明了占空比是如何影響整體效率的。當輸出占空比增大時，我們必須核實解決方案尺寸與效率之間的計算比值，以確定最正確的解決方案。結(jié)論在許多不同的、且適