電源管理集成電路的復(fù)用設(shè)計(jì)

肖麗榮劉志剛

1.炬芯（珠海）科技有限公司電源技術(shù)架構(gòu)部；2.珠海美蓓亞精密馬達(dá)有限公司無(wú)刷馬達(dá)事業(yè)部

電源管理集成電路的復(fù)用設(shè)計(jì)

肖麗榮1劉志剛2

1.炬芯（珠海）科技有限公司電源技術(shù)架構(gòu)部；2.珠海美蓓亞精密馬達(dá)有限公司無(wú)刷馬達(dá)事業(yè)部

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了降壓DC-DC電路和低壓差線性穩(wěn)壓器LDO電路的電路復(fù)用，不但節(jié)省了SOC面積，還兼顧了低功耗和優(yōu)性能，保證了方案的可靠性和穩(wěn)定性。

概述

很多鋰電池供電的便攜設(shè)備都會(huì)將降壓直流-直流轉(zhuǎn)換（DC-DC）電路集成到片上系統(tǒng)（System-On-Chip，簡(jiǎn)稱(chēng)“SOC”）中，并使用降壓DCDC電路來(lái)延長(zhǎng)電池的續(xù)航時(shí)間。降壓DC-DC電路的特點(diǎn)是電池的轉(zhuǎn)換效率高，開(kāi)關(guān)噪聲大，其開(kāi)關(guān)頻率在幾百KHz到幾MHz。

集成有降壓DC-DC電路的SOC所在的便攜設(shè)備既支持音頻和視頻的播放，同時(shí)也支持收音機(jī)或射頻（Radio Frequency，簡(jiǎn)稱(chēng)“RF”）等功能。實(shí)現(xiàn)播放音頻或視頻等功能的電路對(duì)高頻噪聲（如MHz級(jí)別或以上）的干擾并不太敏感，但是諸如實(shí)現(xiàn)收音機(jī)功能的電路對(duì)高頻噪聲的干擾就非常敏感了，甚至由于高頻噪聲的干擾會(huì)導(dǎo)致某些頻段的電臺(tái)無(wú)法被接收到。這些高頻噪聲干擾的一個(gè)主要來(lái)源是便攜設(shè)備中電源管理電路中的降壓DC-DC電路。

目前，為了解決實(shí)現(xiàn)收音機(jī)等功能的電路不受降壓DC-DC高頻噪聲干擾的一個(gè)主要方法是便攜設(shè)備中不使用降壓DC-DC電路，而使用低壓差線性穩(wěn)壓器（Low Dropout Regulator，簡(jiǎn)稱(chēng)“LDO”）電路，LDO電路的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率低，無(wú)開(kāi)關(guān)噪聲。因此，使用LDO電路的便攜設(shè)備就不會(huì)產(chǎn)生高頻噪聲，但是其缺點(diǎn)是電池的使用效率低，續(xù)航能力差。

本文的目的在于提供一種電源管理集成電路，使得在SOC中實(shí)現(xiàn)降壓DC-DC電路和LDO電路的復(fù)用，在盡可能節(jié)省SOC面積的同時(shí)，兼顧低功耗和優(yōu)性能。

基本電路及工作原理

該集成電路包含了：電源功率管Q1、電源功率管Q2、電源功率管Q3、電感L1、控制器C1、反饋電路F1以及使能信號(hào)1和使能信號(hào)2。使能信號(hào)1和使能信號(hào)2可由總線配置其有效性。在同一時(shí)間段，使能信號(hào)1和使能信號(hào)2擇一有效。

當(dāng)使能信號(hào)1有效時(shí)，上述電路按照降壓DC-DC的方式進(jìn)行工作。其工作原理可以簡(jiǎn)單分為三個(gè)階段：第一階段控制器C1控制電源功率管Q1導(dǎo)通、電源功率管Q2和Q3關(guān)斷，這時(shí)VIN（輸入電壓）給電感L1充電，同時(shí)也給VOUT供電。第二階段控制器C1控制電源功率管Q1關(guān)斷、電源功率管Q2導(dǎo)通、電源功率管Q3關(guān)斷，這時(shí)電感L1放電給VOUT（輸出電壓）以及VOUT上的負(fù)載。第三階段控制器C1控制電源功率管Q1和Q2關(guān)斷、電源功率管Q3導(dǎo)通，這個(gè)階段發(fā)生的條件是電感電流為0時(shí)，為了防止電感電流震蕩產(chǎn)生電磁干擾 （Electromagnetic Interference，簡(jiǎn)稱(chēng)“EMI”），所以將電源功率管Q1和Q2關(guān)斷，并將Q3導(dǎo)通，即將電感L1中的多余能量通過(guò)Q3消耗掉。反饋電路F1對(duì)輸出電壓VOUT進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)VOUT電壓低于特定值時(shí)通知控制器C1，控制器C1通過(guò)輸出信號(hào)CQ1、CQ2和CQ3來(lái)控制電源功率管Q1、Q2和Q3，從而保證DC-DC可正常穩(wěn)定的工作。由于Q1、Q2和Q3反復(fù)開(kāi)關(guān)給電感和輸出端充放電，可以看到SW這個(gè)節(jié)點(diǎn)有周期性的開(kāi)關(guān)波形，對(duì)應(yīng)的電感電流也是周期性變化的，開(kāi)關(guān)周期大約在幾百KHz到幾MHz。在DCDC工作方式下，輸入端VIN的電能通過(guò)電感存起來(lái)再釋放給輸出VOUT，沒(méi)有過(guò)多的能量損失，因此其電源利用效率很高，通?？梢愿哌_(dá)90%或以上的轉(zhuǎn)換效率。

當(dāng)使能信號(hào)2有效時(shí)，上述電路按照低壓差線性穩(wěn)壓器LDO的方式工作。其工作原理為控制器C1控制電源功率管Q2處于完全斷開(kāi)狀態(tài)，控制電源功率管Q3處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，以及控制電源功率管Q1工作在可變電阻區(qū)，反饋電路F1對(duì)輸出電壓VOUT進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)VOUT電壓略低于特定值時(shí)，控制器C1通過(guò)輸出信號(hào)CQ1來(lái)減小Q1的導(dǎo)通電阻；當(dāng)VOUT電壓略高于固定值時(shí)，控制器C1通過(guò)輸出信號(hào)CQ1來(lái)增大Q1的導(dǎo)通電阻，最終使輸出VOUT穩(wěn)定在固定的電壓值上。由于Q2完全斷開(kāi)， Q3完全導(dǎo)通，且Q1工作在可變電阻區(qū)呈現(xiàn)逐漸變化阻抗的特性，因此SW這個(gè)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有周期性變化的開(kāi)關(guān)波形，而是與VOUT基本相等的平滑的電壓波形，因此LDO工作方式不會(huì)帶來(lái)開(kāi)關(guān)噪聲。然而，由于Q1工作在可變電阻區(qū)，輸入端VIN的電能會(huì)以電阻熱耗的形式有部分浪費(fèi)在Q1上，導(dǎo)致電源利用效率較低。比如鋰電池3.8V的輸入通過(guò)LDO方式生成1.8V的輸出，那么效率只有47.3%。

圖1　

在集成了上述電路的便攜設(shè)備中，當(dāng)播放音頻及視頻時(shí)，可以通過(guò)總線配置使使能信號(hào)1有效而使能信號(hào)2無(wú)效，此時(shí)該集成電路工作在DC-DC模式，保證了低功耗；當(dāng)播放收音機(jī)和藍(lán)牙通訊等RF應(yīng)用時(shí)，通過(guò)總線配置使使能信號(hào)2有效而使能信號(hào)1無(wú)效，此時(shí)該集成電路工作在LDO模式，保證了優(yōu)性能。

由于電路的組成器件等同于降壓DC-DC電路的組成器件，并未額外增加用于實(shí)現(xiàn)LDO電路的器件，根據(jù)不同的使能信號(hào)，對(duì)各電源功率管進(jìn)行相應(yīng)的控制，實(shí)現(xiàn)不同使能信號(hào)所對(duì)應(yīng)的電路。從而可以在不增加額外器件的情況下，在SOC中實(shí)現(xiàn)降壓DC-DC電路和LDO電路的復(fù)用，不但節(jié)省了SOC面積，同時(shí)可以根據(jù)需要決定采用功耗更低的降壓DC-DC電路，還是采用性能更好的LDO電路，兼顧了低功耗和優(yōu)性能，保證了應(yīng)用方案的可靠性和穩(wěn)定性。

結(jié)語(yǔ)

該電源管理集成電路實(shí)現(xiàn)了降壓DC-DC電路和低壓差線性穩(wěn)壓器LDO電路的電路復(fù)用，不但節(jié)省了SOC面積，還兼顧了低功耗和優(yōu)性能，保證了方案的可靠性和穩(wěn)定性。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.052