TI综合项目工程师教你如何正确选择电源IC.doc

TI工程师教你如何对的选取电源IC对的选取电源集成电路(IC)表面上看似易如反掌。然而，随着需要多电源电压轨消费类电子产品推出，这项工作变得愈发复杂。当选取实际工作中所需IC时，必要考虑成本、解决方案外形尺寸、电源、占空比以及所需输出功率等诸多因素。此外，必要依照重要性和相应选取电源，对这些因素进行排序。在本文中，咱们将拟定附图1所示电源最佳解决方案。示例应用中采用是便携式电源，同步规定最大限度地减少功耗以及减小封装尺寸、并由一块单体锂离子电池供电(12V供电电源对其进行不间断充电)。咱们想最大限度减少成本，但是，这种成本减少只能以牺牲空间方式为代价，而空间是最重要规定条件。另一方面，就是最大限度提高效率来延长电池使用寿命。选取最佳拓扑构造一方面，咱们要检查各电源轨功率规定，以拟定应采用何种DC/DC转换器(如感应式转换开关、线性调节器或充电泵)。普通状况下，感应式转换开关是获取最高效率最佳选取。而感应式转换开关电路需要一种转换组件、一种整流器、一种电感器以及若干输入和输出电容器。在诸多应用中，可通过选用IC转换组件和整流器均可实现器件高度集成以此来缩小解决方案尺寸。并且，上述电路效率普通介于80%至96%之间，详细数值要视负载状况而定。由于电感器尺寸所致，因而开关转换器普通需要更大空间，并且其价格普通也比较昂贵。此外，由于转换存在，开关转换器也会从电感器和输出端噪声中产生电磁干扰(EMI)辐射。低压降线性调节器(LDO)通过减少旁路组件两端输入电压来减少直流电压。这种拓扑构造长处在于只需配备三种部件(旁路组件、输入/输出电容器)。 普通来说，LDO比较便宜，并且产生噪声比感应式转换开关低得多。由于该器件输入电流和负载电流相似，因而采用该解决方案效率等同于输出/输入电压比值。然而，该方案局限性之处就是当输入/输出电压比值较大时，则其效率较低。并且，所有功率都被旁路组件消耗掉了，这也就是说，对于输入/输出差额悬殊大电流应用而言，LDO并非是上佳之选。由于在大功率应用中，需要配备散热装置，因此这将增大解决方案尺寸。充电泵通过采用“迅速”电容器(作为存储组件)来提高/减少直流电压或变化其极性，同步采用内部开关来连接电容器，使其可以进行所需DC/DC转换。普通而言，充电泵要比感应式转换开关成本低，并且不会产生电磁干扰。但是，充电泵输出纹波普通比感应式转换开关大，充电泵在输出功率方面也受到限制。同步，其瞬态响应受到迅速电容器充电速率限制。此外，在输入电压和输出电压相称应用中，充电泵效率普通相称低。于是，为了进一步减小解决方案尺寸，有许多多输出IC可供选取。这些IC普通涉及集成MOS场效应晶体管(MOSFET)，同步至少规定配备有外部组件。并且，单就这些IC而言，其成本或许更为昂贵。但是，通过减少生产过程中必要安装到位外部组件数量所获得收益，往往会抵消前期付出高昂成本。采用何种拓扑构造呢？在如图1所示实际应用中，由于空间限制，因此LDO将成为咱们首选。然而，由于功耗和效率限制，实际状况并非总是如此。就拿5V、2A电源轨来说吧，显而易见，需要选用一种开关转换器。在这种状况下，一种LDO功耗为14W，功耗显然过高。然而，对这种电源轨而言，感应式降压转换器将是最佳选取。接下来，咱们将对电池充电器进行分析。该电池通过5V电源轨完毕充电。咱们采用是充电电压为4.2V单体锂离子电池。但是，由于实际应用中空间局限性，因而，线性充电器将是一种不错选取。由于只有当12V电源适配器正常工作时，电池充电器才干起作用，因而，其对充电效率考虑并不多。然而，当所选取电池峰值充电电流深度放电后，电压降至3V时，必要引起足够注重，并限制电池充电器散热。对于1.5V 电源轨来说，选用开关降压转换器和LDO都行得通。但是，如果选用后者，效率将维持在25%左右范畴，并且需要100mA输入电流。如果替代为降压转换器，效率将超过90%，并且需要输入电流仅为30mA。此外，有许多外形非常小巧开关转换器解决方案，而这些解决方案可以提供所需输出功率。因而，LDO电路大小是不可预计。为了最大限度延长电池使用寿命，降压转换器当属抱负之选。对于2.5V电源轨而言，上述两种拓扑构造都可以发挥作用。由于需要电流小、输入/输出差值较低，因此LDO堪称最小封装器件上佳选取。对于1.25V电源轨而言，开关转换器为最佳之选。由于所规定负载高(300mA)、输入/输出差值大，因此LDO功耗将非常大，并且效率极低。对于1.65V电源轨而言，上述两种拓扑构造都行之有效。通过采用与1.5V电源轨相似逻辑分析办法，咱们得出了这样一种结论选用开关转换器。但是，之后探讨其她因素表白，应选用LDO。对于图1底部3.3V电源轨而言，由于规定输出电流大，因而，选用开关转换器当属上佳之选。为实际工作需要选取最佳IC考虑到组件尺寸和成本方面局限性，所选用IC集成度应尽量高。为此，所选用所有IC都集成了MOSFET，这样，不但减少理解决方案尺寸并且还减少了生产成本。此外，除了减少材料清单以外，由于组件数量减少，同步也减少了安装各电路板成本，从而进一步减少了整个解决方案成本。此外，尚有多输出IC可供选取，这种IC能更进一步减小咱们解决方案尺寸。如果再次从5V电源轨开始分析电路关于状况，则对于5V电源轨而言，最佳解决方案为TPS5431。由于其宽输入范畴(5.5V至23V)，因此可以满足12V10%输入电压变化。并且，当将输出电压调低至1.2V时，TPS5431还能输出高达3A电流。由于开关MOSFET和补偿组件集成在一起，因而95%效率可以满足电池供电规定。该器件采用SO-8封装，从而实现了非常小型解决方案尺寸。接下来，咱们将分析电池充电器，其有数种解决方案可供选取。例如，小尺寸电池充电器IC bq24010就是一种不错选取，其采用33mm QFN封装。该解决方案尺寸相称小，只需三个外部组件。但是，对于咱们应用而言，尚有一款更佳解决方案TPS65010，该解决方案是一款针对锂离子供电系统电源和电池管理IC。由于TPS65010集成了两个开关转换器(VMAIN和VCORE)、两个LDO(LDO1和 LDO2)以及一种单体锂离子电池充电器，因此其非常适合咱们应用规定。除了上述电源轨之外，当12V电源适配器接通时，此时，IC无需开关电路。在咱们应用示例中，VMAIN为3.3V电源轨供电、VCORE为1.25V电源轨供电、LDO1为1.65V电源轨供电、而LDO2为2.5V电源轨供电。此外，使用TPS65010可以大幅缩小解决方案尺寸并减少外部组件数量。最后一条1.5V电源轨可由降压转换器(如TPS62201)提供电源。TPS62201采用6引线SOT-23封装，并且它只需三个外部组件(一种输入和输出电容器、一种电感器以及两个反馈电阻器)。这就实现理解决方案尺寸小型化。但是，为了提高效率，这种器件输入端应连接至 TPS65010 器件3.3VMAIN输出端。最后解决方案依照此前分析，咱们可以找到最后解决方案，如附图2所示。如果不具备 I2C 接口，咱们将何以应对？在应用过程中如果不具备I2C接口，那么咱们就无法使用TPS65010。在这种状况下，TPS75003将被派上用场。TPS75003包括两个3A DC/DC降压开关转换器以及一种300mA LDO。这种器件输出大小可依照实际需要进行调节，其集成了三条电流最大电源轨。1.25V和3.3V电源轨将由开关转换器供电，而由于较低电流规定，因而1.65V电源轨将由LDO供电。剩余2.5V电源轨由一条小型LDO电路轻松供电。TPS71525采用SC-70封装，其外形尺寸极为小巧，非常合用于陶瓷输出电容器。一款尺寸较大而不太昂贵解决方案就是采用TPS76925为1.65V电源轨供电。然而，TPS76925控制电路需要在输出端配备一只最小值等效串联电阻，以实现电路运营稳定性，因而，这将也许与电路尺寸方面限制发生冲突。系统效率差别计算对于本次探讨分析，咱们事先假定所有电压轨自始至终都处在工作状态，而实际工作中状况却很少如此。普通在采用感应式转换开关状况下，为了最大限度减小解决方案尺寸，LDO或许是一种不错选取。并且，通过计算各拓扑构造之间效率差别，就可以拟定该选用何种解决方案。通过输出端启用时间比例(占空比)，咱们就可以拟定每条电源轨对解决方案整体效率影响。一方面，通过累加各电源轨有效功率，可求出输出总有效功率：式中Pi表达一条输出电源轨输出功率，Di表达同一电源轨占空比。接下来，咱们计算每一电源轨上功率损失：然后，累加各条电源轨功率损失，以求取总功率损失：式中i表达各输出电源轨效率。然后，咱们计算出每条电源轨对整体系统效率影响：通过累加各电源轨系统效率或采用下列公式，即可求出整体系统效率：例如，如果咱们前面拟定3.3V、420mA电源轨应由开关转换器供电，且其启用时间仅占运营时间10%，那么采用LDO代替该转换器，整体效率下降幅度将不会超过0.75%。详细状况请参阅附图3（表1）。如果3.3V输出端始终处在启动状态，那么采用LDO代替该感应式转换器将使整体效率下降近4%。显然，这是两种极端状况，但是它们表白了占空比是如何影响整体效率。当输出占空比增大时，咱们必要核算解决方案尺寸与效率之间计算比值，以拟定最佳解决方案。结论在许多不同、且合用于DC/DC转换选项中选取一款满足自身需要器件，将是一件棘手工作。必要考虑到诸如可用空间、有效输入功率、输出功率、占空比以及成本等规定，以便于选用最佳解决方案。一方面，咱们可以重要限度为原则，将上述条件进行排序，然后依照这些条件，为各种不同输出状况选取最佳拓扑构造。最后，咱们可觉得各种不同输出选取最经济划算解决方案。只要遵循这些简朴易行办法，就会使电源设计工作毫无困难可言。