比較三種基本電源架構的權衡

許多使用小容量電池運行的系統(tǒng)需要高效的開關 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、耳塞以及其他消費類和醫(yī)療可穿戴設備的電源設計更加復雜。

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

系統(tǒng)架構

許多便攜式設備使用單節(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)療設備使用一次(不可充電)化學電池供電，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空間和更高的兩個器件成本。

圖 1顯示了 DC/DC 加 LDO 架構的示例。DC/DC 將輸入電壓降至 1.4 V，而 LDO 將 1.4 V 降至負載所需的 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，同時仍提供良好的噪聲抑制。

圖：1：DC/DC-plus-LDO 架構的框圖。

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?；蛘?，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。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間。由于此運行時間是大多數(shù)便攜式系統(tǒng)的關鍵特性，因此需要盡可能高的效率。這有利于僅 DC/DC 架構;但是，某些 DC/DC 的輸出噪聲對于某些負載來說太高了。在這些情況下，在 DC/DC 之后添加 LDO 可提供比僅 LDO 架構更高的效率，但比僅 DC/DC 架構略低的效率。DC/DC 加 LDO 架構更適合負載要求最低噪聲的高性能系統(tǒng)。圖 2比較了三種架構在 3V 輸入電壓和 1.2V 輸出電壓下的效率。

圖 2：三種電源架構的效率比較。

德州儀器 (TI) TPS7A10 LDO 設計用于跟隨 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 架構支持更高的輸入電壓，TI 的 TPS7A05 是支持高達 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 架構的效率略有下降。僅 LDO 架構的效率隨輸入電壓線性下降，因為任何 LDO 的效率近似為

正因為如此，當輸入電壓和輸出電壓之間的差異很小時，僅 LDO 架構很受歡迎。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，可以實現(xiàn)更低的 I Q 以及在非常輕的負載下相應的更高效率。或者，通過降低 TPS62807 中的開關頻率，可以在更高負載下實現(xiàn)更高效率。通過器件選擇，一個參數(shù)(例如效率)最大化，同時權衡其他參數(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，所以我只舉兩個例子：用示波器在時域測量輸出紋波，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 架構在 3.6V 輸入電壓和 1mA 負載電流下的輸出紋波測量。DC/DC 在省電模式下工作以實現(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于為無線電設備(例如低功耗藍牙)供電至關重要，而不會影響其靈敏度。

圖 3：DC/DC 加 LDO 架構的輸出電壓紋波。

圖 4 顯示了所有三種電源架構在 3V 輸入電壓和 10mA 負載電流下測得的輸出電壓噪聲密度。輸出噪聲在一個頻帶(通常為 10 Hz 至 100 kHz)上進行積分，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 的開關頻率及其諧波。LDO 明顯降低了這種開關噪聲的幅度。

圖 4：三種電源架構的輸出噪聲密度比較。

解決方案尺寸

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

TPS62801 DC/DC 和 TPS7A10 LDO 采用 4MHz 開關頻率和晶圓芯片級封裝 (WCSP)，可實現(xiàn) 8.5 mm 2的微型解決方案總尺寸。每個器件的引腳排列和 PCB 布局都經(jīng)過優(yōu)化，以便在兩個器件之間共享電容器(圖 5中的 C1 和 C2)。高 DC/DC 開關頻率支持使用最小的無源元件運行：0201 (0603) 電容器和 0402 (1005) 片式電感器。圖 5是實際 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 架構的實際解決方案尺寸。

僅 DC/DC 架構的組件僅占用 5.5 mm 2，而僅 LDO 架構將占用約 4 mm 2。雖然所有可穿戴應用都需要較小的解決方案尺寸，但有些應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)應用，例如)需要最低輸出噪聲和最小尺寸的僅 LDO 架構。添加一個 DC/DC 來提高效率根本不適合。

結論

設計一個小型電池供電系統(tǒng)需要在效率、輸出噪聲和尺寸之間進行權衡。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 的電源架構以實現(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總結了本文中討論的權衡取舍，基于參考 1 中的示例設計。