在便攜設備和無線產品的設計中，設計人員常常面臨如何提高產品性能、進一步延長電池工作時間的挑戰(zhàn)，由于對成本和體積的要求比較苛刻，設計中會犧牲系統(tǒng)的某些指標而采取一些折衷的解決方案。新型供電電路的出現(xiàn)彌補了以上設計中的不足，能夠保證系統(tǒng)高可靠性、高性能指標的要求，并有效地延長電池壽命。供電電路的主要參數(shù)有成本、效率（電池壽命）、輸出紋波、噪聲及靜態(tài)電流。表一列出了這些參數(shù)與電路結構、輸入輸出電壓范圍的相互關系，下面我們就結合表一，進一步闡述這些電路結構的特點。
表一供電電路特性與電路結構和輸入（Vin）輸出（Vout）電壓的關系
一．低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器
低壓差線性穩(wěn)壓器的突出優(yōu)點是具有最低的成本，最低的噪聲和最低的靜態(tài)電流。它的外圍器件也很少，通常只有一兩個旁路電容。新型LDO 可達到以下指標：30μV 輸出噪聲、60dB PSRR、6
μA 靜態(tài)電流及100mV 的壓差。LDO 線性穩(wěn)壓器能夠實現(xiàn)這些特性的主要原因在于內部調整管采用了P 溝道場效應管，而不是通常線性穩(wěn)壓器中的PNP 晶體管。P 溝道的場效應管不需要基極電流驅動，所以大大降低了器件本身的電源電流；另一方面，在采用PNP 管的結構中，為了防止PNP 晶體管進入飽和狀態(tài)降低輸出能力，必須保證較大的輸入輸出壓差；而P 溝道場效應管的壓差大致等于輸出電流與其導通電阻的乘積，極小的導通電阻使其壓差非常低。
當系統(tǒng)中輸入電壓和輸出電壓接近時， LDO 是最好的選擇，可達到很高的效率。所以在將鋰離子電池電壓轉換為3V 電壓的應用中大多選用LDO，盡管電池最后放電能量的百分之十沒有使用，但是LDO 仍然能夠在低噪聲結構中提供較長的電池壽命。
二．電荷泵
基本的電荷泵電路成本較低，它的最大優(yōu)點是無需電感，外圍電路只需幾個電容，體積較小，能夠提供百分之九十五的效率；固定開關頻率時產生較大的噪聲和靜態(tài)電流。另外，這種結構的輸出電壓只能是輸入電壓的倍數(shù)，利用四個內部開關和一個外部飛電容（flying capacitor）能夠獲得輸入電壓的2 倍、1/2 倍或-1 倍輸出；也可以使用多級結構獲得其它倍數(shù)的電壓，但成本和靜態(tài)電流也會增加，所以，在傳統(tǒng)的設計中，電荷泵結構很少與電池直接相連，而是用于產生系統(tǒng)的輔電源，為小電路模塊或某一器件供電。但從目前的發(fā)展趨勢看， 新型的電荷泵輸出電流越來越大，而便攜式產品的功耗則越來越低，所以有些產品選用電荷泵做系統(tǒng)的主電源。
1．電荷泵+LDO
為了克服電荷泵電路固有的缺陷，某些新型電源將電荷泵與LDO 相結合，這種結構可以得到任意的輸出電壓，而且降低了輸出噪聲，但效率也相應有所下降，下降幅度與輸入輸出電壓有關，例如兩節(jié)NiMH 電池轉換為3V 的效率是3V/。這里還沒有考慮電荷泵自身的效率損耗，LDO 的輸出電壓與電荷泵倍壓輸出越接近，這種結構的效率越高。
2．電荷泵穩(wěn)壓器
新型電荷泵穩(wěn)壓器采用PFM 或PWM 方式，內部電路不需要LDO。與電荷泵+LDO 方式相比，新型PFM 方式的電荷泵具有低成本、低靜態(tài)電流等特點，但輸出噪聲略有增加、兩種電路的效率基本相同。如果改變倍乘因子可以改善轉換效率。例如轉換兩節(jié)堿性電池到5V，新電池時使用兩倍壓，而電池電壓低于2.5V 時使用3 倍壓。升降壓應用中，開始時使用降壓而后來使用兩倍升壓，可以改善效率。但是半導體行業(yè)很少采用這樣復雜的電荷泵穩(wěn)壓器。
電荷泵穩(wěn)壓器在主電源和后備電源中都十分有用，最新的電荷泵穩(wěn)壓器能夠提供250mA 的輸出電流，非常適合低功耗的應用。它能夠產生存儲器所需要的編程電壓，為GaAs 射頻功率放大器產生非常穩(wěn)定的負偏置電壓等。
三．DC-DC 轉換器
DC-DC 轉換器包括升壓、降壓、升/降壓和反相結構，具有高效率、高輸出電流、低靜態(tài)電流等特點，隨著集成度的提高，許多新型DC-DC 轉換器的外圍電路僅需電感和濾波電容；但該類電源控制器的輸出紋波和開關噪聲較大、成本相對較高。
近幾年隨著半導體技術的發(fā)展，表面貼裝的電感、電容、以及高集成度的電源控制芯片的成本也不斷降低，體積越來越小。低導通電阻的場效應管省去了外部大功率場效應管，例如對于3V 的輸入電壓，利用片內N 溝道場效應管可以獲得5V/2A 的輸出。對于中小功率的應用可以使用小型低成本封裝。另外，高達1MHZ 的開關頻率能夠降低成本、減小外部電感/電容的尺寸。某些新器件還增加許多新功能，如軟啟動、限流、PFM 或者PWM 方式選擇等。
1．DC-DC 降壓轉換器
幾乎所有的降壓型DC-DC 轉換器都比LDO 的效率要高，當輸入電壓高于輸出電壓很多時更是如此，例如，將鋰離子電池轉換成1.8V 輸出。最新的降壓型DC-DC 轉換器內置同步整流器和場效應開關管，不僅提高了轉換效率，而且外部僅僅需要一個電感，簡化了設計。由于這種結構能夠達到百分之百的占空比，可實現(xiàn)很低的壓差。通常PFM 方式的降壓型DC-DC 轉換器輸出紋波和噪聲較大，而靜態(tài)工作電流較小；PWM 方式的降壓型DC-DC 轉換器的輸出紋波和噪聲較小，但靜態(tài)工作電流較大。
在輸入電壓遠遠高于輸出電壓的應用中，為達到高效率、低噪聲的指標要求，有些降壓型DC-DC 控制器還內置了LDO。
2．DC-DC 升壓轉換器
升壓轉換器是LDO 無法取代的，盡管電荷泵穩(wěn)壓方式可以實現(xiàn)升壓功能，但效率較低，輸出電流較小。因為升壓轉換器的輸出紋波和開關噪聲較大，需要選擇好的控制結構以消除振蕩噪聲和開關場效應管引起的效率損失。
最新的升壓型DC-DC 轉換器（圖1中的IC）同樣內置同步整流管和開關管，實現(xiàn)了高效率、低功耗、小體積、多功能等特性。目前，便攜式產品的工作電流范圍越來越寬，這就要求單個IC 能夠實現(xiàn)多種控制算法，圖1中的IC 包含低噪聲的PWM 工作方式和低工作電流的PFM 方式，可以提供很寬的負載電流，控制方式的改變可以瞬間完成而不會造成輸出中斷。如果采用外部同步時鐘可以減小開關對系統(tǒng)尤其是射頻系統(tǒng)的影響。圖1中的IC 利用一個瞬時接通按鈕進行通斷控制，實現(xiàn)對電源的開關，提高可靠性，減小體積。
將升壓型DC-DC 轉換器與LDO 相結合可實現(xiàn)兩個功能，即低噪聲升壓和高效率的升降壓。典型的升降壓應用是從鋰離子電池得到3.3V，因為電池的大部分工作時間是3.6V，這時升壓轉換器待機，而LDO 工作，所以效率非常高，與傳統(tǒng)的SEPIC 方式相比可以使用更小的外圍器件。現(xiàn)在已經有幾種這樣結構的單片解決方案（如圖1中的IC）。
3．DC-DC 升降壓H-橋式轉換器
為了進一步提高升降壓型轉換器的效率，可選用H—橋式轉換器，這種結構需要一個電感，兩個功率場效應管開關和兩個整流二極管，目前這些外圍器件和控制結構的成本仍然較高，而且外部開關損耗也限制了它的效率的提高，特性指標有待于進一步完善，隨著集成工藝的發(fā)展，這種結構的應用會越來越多。 |
