許多使用小容量電池運(yùn)行的系統(tǒng)需要高效的開關(guān) DC/DC 轉(zhuǎn)換器來延長電池充電之間的工作壽命。然而，其中許多系統(tǒng)還需要低壓差線性穩(wěn)壓器 (LDO) 的低噪聲來為敏感的模擬電路(如傳感器、無線電或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器)供電。極其有限的印刷電路板 (PCB) 空間使智能手表、健身追蹤器、耳塞以及其他消費(fèi)類和醫(yī)療可穿戴設(shè)備的電源設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。

效率、輸出噪聲和尺寸的權(quán)衡需要針對(duì)每個(gè)特定系統(tǒng)的優(yōu)化解決方案。本文比較了三種基本電源架構(gòu)，即僅 DC/DC、僅 LDO 和 DC/DC 后接 LDO，并牢記它們對(duì)特定應(yīng)用的適用性。

系統(tǒng)架構(gòu)

許多便攜式設(shè)備使用單節(jié)可充電鋰電池供電，電壓范圍約為 3 V 至 4.2 V。許多一次性醫(yī)療設(shè)備使用一次(不可充電)化學(xué)電池供電，例如紐扣電池和 AA 或 AAA堿性。在許多情況下，電源還必須通過 USB 端口運(yùn)行，該端口提供 5 V 及以上的電壓。電源采用此輸入電壓并將其降低至系統(tǒng)負(fù)載所需的各種電壓，例如 1.2 V。降壓(降壓)DC/DC 轉(zhuǎn)換器或 LDO 可降低電壓。

典型的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器比典型的 LDO 效率更高，但 DC/DC 的噪聲比 LDO 高。這兩個(gè)轉(zhuǎn)換器通常組合在一起，LDO 位于 DC/DC 之后，以降低輸出噪聲，同時(shí)仍保持良好的效率。但是，這需要更大的PCB空間和更高的兩個(gè)器件成本。

圖 1顯示了 DC/DC 加 LDO 架構(gòu)的示例。DC/DC 將輸入電壓降至 1.4 V，而 LDO 將 1.4 V 降至負(fù)載所需的 1.2 V。LDO 的 BIAS 引腳允許非常低的 200mV 壓差電壓，從而提高了整體效率，同時(shí)仍提供良好的噪聲抑制。

圖：1：DC/DC-plus-LDO 架構(gòu)的框圖。

或者，您可以移除 LDO，DC/DC 可以直接輸出 1.2 V。這是僅 DC/DC 電路。或者，您可以從圖 1 中移除 DC/DC，并讓 LDO 直接將輸入電壓降至 1.2 V。這是 LDO 專用電路。這三種配置各有優(yōu)缺點(diǎn)。1

效率 電源的效率決定了電池在需要充電或更換之前可以使用多長時(shí)間。由于此運(yùn)行時(shí)間是大多數(shù)便攜式系統(tǒng)的關(guān)鍵特性，因此需要盡可能高的效率。這有利于僅 DC/DC 架構(gòu);但是，某些 DC/DC 的輸出噪聲對(duì)于某些負(fù)載來說太高了。在這些情況下，在 DC/DC 之后添加 LDO 可提供比僅 LDO 架構(gòu)更高的效率，但比僅 DC/DC 架構(gòu)略低的效率。DC/DC 加 LDO 架構(gòu)更適合負(fù)載要求最低噪聲的高性能系統(tǒng)。圖 2比較了三種架構(gòu)在 3V 輸入電壓和 1.2V 輸出電壓下的效率。

圖 2：三種電源架構(gòu)的效率比較。

德州儀器 (TI) TPS7A10 LDO 設(shè)計(jì)用于跟隨 DC/DC 以產(chǎn)生低輸出電壓，并且僅限于低于 3.3 V 的輸入電壓。如果您需要使用純 LDO 架構(gòu)支持更高的輸入電壓，TI 的 TPS7A05 是支持高達(dá) 5.5 V的低靜態(tài)電流 (I Q ) 選擇。2隨著輸入電壓的增加，僅 DC/DC 和 DC/DC 加 LDO 架構(gòu)的效率略有下降。僅 LDO 架構(gòu)的效率隨輸入電壓線性下降，因?yàn)槿魏?LDO 的效率近似為

正因?yàn)槿绱耍?dāng)輸入電壓和輸出電壓之間的差異很小時(shí)，僅 LDO 架構(gòu)很受歡迎。例如，使用 LDO 將 3.6V 電池電壓降至 3V 輸出電壓的效率為 83%。

在非常輕的負(fù)載下，大約低于 10 μA，電源的 I Q 決定了效率。TPS7A10 LDO 的 I Q 約為 6 μA，而 TPS62801 DC/DC 僅提供 2.3 μA 的I Q。使用諸如 TPS7A05 LDO (1-μA I Q ) 和 TPS62743 DC/DC (0.360-μA I Q ) 之類的器件，可以實(shí)現(xiàn)更低的 I Q 以及在非常輕的負(fù)載下相應(yīng)的更高效率。或者，通過降低 TPS62807 中的開關(guān)頻率，可以在更高負(fù)載下實(shí)現(xiàn)更高效率。通過器件選擇，一個(gè)參數(shù)(例如效率)最大化，同時(shí)權(quán)衡其他參數(shù)，例如尺寸、成本和最大輸出電流。

輸出噪聲

測量任何電源的輸出噪聲的方法有很多種，所以我只舉兩個(gè)例子：用示波器在時(shí)域測量輸出紋波，用頻譜分析儀在頻域測量輸出噪聲密度。

圖 3 顯示了 DC/DC 加 LDO 架構(gòu)在 3.6V 輸入電壓和 1mA 負(fù)載電流下的輸出紋波測量。DC/DC 在省電模式下工作以實(shí)現(xiàn)最高效率，但工作頻率較低，紋波較高。3

LDO 的電源抑制比 (PSRR) 可以輕松抑制較低頻率，從而消除任何紋波痕跡。在足夠高的頻率下具有足夠低的紋波對(duì)于為無線電設(shè)備(例如低功耗藍(lán)牙)供電至關(guān)重要，而不會(huì)影響其靈敏度。

圖 3：DC/DC 加 LDO 架構(gòu)的輸出電壓紋波。

圖 4 顯示了所有三種電源架構(gòu)在 3V 輸入電壓和 10mA 負(fù)載電流下測得的輸出電壓噪聲密度。輸出噪聲在一個(gè)頻帶(通常為 10 Hz 至 100 kHz)上進(jìn)行積分，然后求和以產(chǎn)生以微伏 RMS (μV RMS ) 為單位的總均方根 (RMS) 噪聲值。正如預(yù)期的那樣，即使在 DC/DC 之后使用 LDO，它的總噪聲也最低。DC/DC 和 DC/DC-plus-LDO 曲線中的峰值代表 DC/DC 的開關(guān)頻率及其諧波。LDO 明顯降低了這種開關(guān)噪聲的幅度。

圖 4：三種電源架構(gòu)的輸出噪聲密度比較。

解決方案尺寸

對(duì)于任何開關(guān) DC/DC 轉(zhuǎn)換器，開關(guān)頻率與解決方案尺寸和效率成反比。較高的開關(guān)頻率允許使用更小和更低高度的電感器和電容器，同時(shí)由于開關(guān)損耗增加而降低效率。為小型便攜式應(yīng)用設(shè)計(jì)的現(xiàn)代 DC/DC 轉(zhuǎn)換器使用創(chuàng)新技術(shù)來實(shí)現(xiàn)非常小的尺寸和高效率。

TPS62801 DC/DC 和 TPS7A10 LDO 采用 4MHz 開關(guān)頻率和晶圓芯片級(jí)封裝 (WCSP)，可實(shí)現(xiàn) 8.5 mm 2的微型解決方案總尺寸。每個(gè)器件的引腳排列和 PCB 布局都經(jīng)過優(yōu)化，以便在兩個(gè)器件之間共享電容器(圖 5中的 C1 和 C2)。高 DC/DC 開關(guān)頻率支持使用最小的無源元件運(yùn)行：0201 (0603) 電容器和 0402 (1005) 片式電感器。圖 5是實(shí)際 PCB 布局的放大圖，它使用 250-μm 的元件到元件間距。

圖 5：DC/DC-plus-LDO 架構(gòu)的實(shí)際解決方案尺寸。

僅 DC/DC 架構(gòu)的組件僅占用 5.5 mm 2，而僅 LDO 架構(gòu)將占用約 4 mm 2。雖然所有可穿戴應(yīng)用都需要較小的解決方案尺寸，但有些應(yīng)用需要盡可能小的尺寸。許多醫(yī)療傳感器貼片(和其他體內(nèi)應(yīng)用，例如)需要最低輸出噪聲和最小尺寸的僅 LDO 架構(gòu)。添加一個(gè) DC/DC 來提高效率根本不適合。

結(jié)論

設(shè)計(jì)一個(gè)小型電池供電系統(tǒng)需要在效率、輸出噪聲和尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡。比耳塞或醫(yī)療貼片稍大的智能手表和健身追蹤器使用帶有 DC/DC 的電源架構(gòu)以實(shí)現(xiàn)最高效率。但即使是那些系統(tǒng)也有某些軌道，例如傳感器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，需要最低噪聲的 LDO。表 1總結(jié)了本文中討論的權(quán)衡取舍，基于參考 1 中的示例設(shè)計(jì)。

表 1：三種架構(gòu)的效率、輸出噪聲和尺寸比較。

在 DC/DC 和 LDO 的廣泛類別中，德州儀器 (Texas Instruments) 提供了多種器件來針對(duì)不同應(yīng)用優(yōu)化這三個(gè)關(guān)鍵優(yōu)先級(jí)。即使世界上有各種各樣的系統(tǒng)，也可能存在適合每種設(shè)計(jì)的電源架構(gòu)。

審核編輯：湯梓紅