利用具有LDO特性的DC/DC轉(zhuǎn)換器滿(mǎn)足下一代移動(dòng)應(yīng)用設(shè)計(jì)需求(下)
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高頻開(kāi)關(guān)面臨的挑戰(zhàn)
我們前面講過(guò)，與高頻開(kāi)關(guān)有關(guān)的損耗會(huì)增加。圖4所示為采用2.2uH電感處于傳統(tǒng)的2MHz頻率下的DC/DC轉(zhuǎn)換器" target="_blank">DC/DC轉(zhuǎn)換器的損耗，以及采用0.47uH電感頻率為8MHz時(shí)的損耗。
可以明顯看出，在傳統(tǒng)的移動(dòng)DC/DC頻率2MHz，開(kāi)關(guān)引起的損耗僅占總體損耗的20%左右?？傮w損耗約為200mA，是移動(dòng)器件的典型輸出電流。但在8MHz時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗會(huì)上升到40%以上。降低開(kāi)關(guān)損耗是能夠在高頻開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵，也是能夠集成到封裝之中的小型電感的前提。
建議解決方案
Micrel公司推出了它的第一代“L Free”DC/DC轉(zhuǎn)換器，首款產(chǎn)品是MIC3385。它的開(kāi)關(guān)頻率是8MHz，電感集成到3mm x 3mm MLF封裝之中。在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到降低開(kāi)關(guān)損耗，從而使開(kāi)關(guān)損耗上升導(dǎo)致的效率損失最小。圖6所示為MIC3385的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖，圖7為實(shí)際尺寸。
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圖4：2MHz及8MHz開(kāi)關(guān)頻率下DC/DC轉(zhuǎn)換器的損耗。 |
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圖6：MIC3385 “L Free”DC/DC轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。 |
MIC3385的基本結(jié)構(gòu)是頻率恒定的PWM轉(zhuǎn)換器，帶有一個(gè)并聯(lián)LDO。在輸出負(fù)載處于待機(jī)時(shí)，LDO充當(dāng)輕負(fù)載模式。這種混合式設(shè)計(jì)提供了極其出色的噪聲性能，并使多能夠輕松地過(guò)渡到高頻。
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圖7：MIC3385在3mmx3mm MLF封裝中集成了“L-Free”DC/DC轉(zhuǎn)換器。 |
如前所述，MIC3385經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可以在較高的頻率上開(kāi)關(guān)而且電感值較低。圖8顯示了結(jié)構(gòu)相同的2MHz轉(zhuǎn)換器與8MHz頻率的MIC3385的效率。從中可見(jiàn)，在200mA電流上效率只下降4%。這對(duì)于顯著降低設(shè)計(jì)的尺寸和復(fù)雜性來(lái)產(chǎn)，是可以接受的折衷。
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圖8：MIC3385與MIC2205的效率比較。 |
對(duì)于高頻DC/DC轉(zhuǎn)換來(lái)說(shuō)，除了降低開(kāi)關(guān)損耗以外，還有其它一些挑戰(zhàn)。最大的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)出具有足夠高的帶寬的控制回路，以使輸出電壓在快速瞬載下保持穩(wěn)定，同時(shí)仍采用小型陶瓷輸出電容器。MIC3385做了這點(diǎn)，它采用了一種獲得專(zhuān)利的方法——通過(guò)并聯(lián)LDO獲得所需的高帶寬。MIC3385的DC/DC轉(zhuǎn)換器和LDO都提供全輸出電流，以允許從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)實(shí)現(xiàn)幾乎無(wú)縫的轉(zhuǎn)變；具有最小的輸出電壓偏差。圖9所示為MIC3385在重負(fù)載瞬態(tài)條件下的輸出電壓偏差，并與比較傳統(tǒng)的DC/DC方案進(jìn)行了比較。重負(fù)載瞬態(tài)條件在移動(dòng)器件中是常見(jiàn)現(xiàn)象?？梢钥闯?MIC3385 8MHz架構(gòu)的表現(xiàn)大大優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而為設(shè)計(jì)穩(wěn)定性創(chuàng)造了較大的空間。
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圖9：5us之內(nèi)，從100uA到20mA然后到300mA的負(fù)載瞬變條件下，MIC3385與傳統(tǒng)的移動(dòng)DC/DC轉(zhuǎn)換器的比較。 |
噪聲方面的優(yōu)點(diǎn)
DC/DC轉(zhuǎn)換器的電感在運(yùn)行和開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)。設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮電感的安置，以避免引起干擾。例如，把電感安置在敏感的音頻元件附近，可能引起有害的干擾。把它放置在功率放大器附近，則可能降低器件的靈敏度并導(dǎo)致兼容問(wèn)題.電感越大，這些問(wèn)題越難以控制。MIC3385的電感較小，安放位置盡可能接近DC/DC裸片。這使高頻功率回路盡可能地短，與具有外部電感的低頻DC/DC相比，降低了EMI噪聲。這與直覺(jué)有點(diǎn)矛盾，因?yàn)橐话阏J(rèn)為較高的頻率會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲。
本文小結(jié)
結(jié)果顯示，第一代8MHz開(kāi)關(guān)頻率的DC/DC轉(zhuǎn)換器是可行的，提供了一種有益的解決方案，在移動(dòng)設(shè)計(jì)中受到歡迎。該設(shè)計(jì)顯示出低噪聲、快速瞬態(tài)響應(yīng)和高效率，所有這些優(yōu)點(diǎn)都使DC/DC轉(zhuǎn)換器更接近LDO解決方案。
隨著移動(dòng)設(shè)備的功率和尺寸要求繼續(xù)加強(qiáng)，市場(chǎng)中將出現(xiàn)更多的集成器件。
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