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整合式穩壓和功率管理


( 2006年1月1日)
作者：Sunvir Gujral , Onyx Semiconductor Solutions

歸功於可攜式電子設備的普及，功率調節和管理 IC 已成為電子業中發展最快的領域之一。這樣的發展導致了對更高整合度的更多需求，目的是降低電路板空間要求和材料成本。

市場上對低成本、長電池壽命、小尺寸的需求正在改變對整合式功率調節功能的要求和規範。一般而言，開關式或線性穩壓器用來供給高度整合設備的不同部分需調節的電壓和功率。

在設計時要做出的第一項決定：是否需要線性或開關穩壓器。儘管一般假定開關式穩壓器將展現更高的效率，是可攜式應用的較好解決方案，在可攜式設備中使用的穩壓器都有其實用上的考量。

然而，線性穩壓器的低雜訊特性以及較小的尺寸和複雜度，成為了多種應用的理想候選者，尤其是當 Vin— Vout 差值很小時。對於功率非常低的應用，線性穩壓器實際上更優越，即便它的效率很低。這不僅是由於成本和複雜度更低，而且是由於其靜態電流低於開關式穩壓器。

低壓差穩壓器

低壓差 (LDO) 線性穩壓器由於雜訊影響較低，在為普通手機的分區供電方面很受歡迎。功率放大器通常要求提供來自單芯鋰離子電池（工作電壓範圍是 3 至 4.2 伏）的降壓和升壓。直流/直流穩壓器最適合用來改變功率放大器的集電極偏置電壓，以便在它未以全功率工作時，提高它的效率。

不過，LDO 非常適合於為普通手機的基頻、射頻、TCXO、RTC 和音頻部分供電，目前也正用來為白光 LED 供電，用於在其他可攜式應用中提供背光。以上每種應用都有不同的要求，傳統上是由片外的穩壓 IC 來滿足的。把穩壓器放在晶片外部，不僅提高了材料成本，而且降低了系統可靠性，需要佔用寶貴的電路板空間，並且由於在 PCB 本身的損耗而對穩壓器提出了更嚴格的要求。

熱管理

線性穩壓器內在的熱問題使它們無法被裝在晶片上用於高功率應用。在以接近壓差的電壓工作時，散熱不是個大問題，但是由於電池供電的設備隨著時間的推移，電壓會下降很多，因此無法保證上述狀況。新型封裝和表面安裝有助於進一步散熱，但是一般而言，這些選擇不能用於配備整合式穩壓器的設備。



片上整合

接下來需要回答的問題是：把片上穩壓器整合在何處？一般而言，穩壓器應被整合在需要被供電的晶片上。這就要求穩壓器可由與應用相同的製程技術來處理。如果本討論限於 0.18 微米 RFCMOS 技術的高度整合式無線電器件和收發器，則可利用雙柵極製程 3.3 伏 FET 把所有線性穩壓器都整合在晶片上。可利用標準製程來完全整合 LDO，唯一的外部元件就是一個可選的 10 至 100 納法旁路電容，來為雜訊非常低的應用對參考輸出做低通濾波。

LDO 作為電源開關

一種經常被用來降低總功耗的方法就是在不需要電路的某些部分時，選擇性地關閉它們。如果利用配有數控式關閉引腳的 LDO，那麼 LDO 就能被當作電源開關。這種方法之所以比使用邏輯驅動式 p-FET 開關更好，是由於 FET 的接通電阻必須足夠低，才能把負載電源保持在最低規定電平之上。在電源電壓較低時，這個問題就更嚴重 了。這類低阻 FET 也不能被用在那些需要使用片外開關的標準製程中。這就增加了引腳數量、電路板空間和複雜度。如果利用一塊配備關閉功能的片上 LDO，就可基本上免費提供低接通電阻開關的功能。

由於可在晶片上整合LDO，因此具備更好地管理功率，來進一步降低功耗。另外，通過利用配備多種預設或可設定輸出電壓的 LDO，就可根據需要把電源電壓降低至設備的非臨界區域。

晶片上穩壓將普及於可攜式應用

晶片上穩壓在可攜式應用中的效益逐步發酵，這都是因為希望不斷降低成本和延長電池壽命的考量。隨著加工廠和其他第三方來源提供更多在矽晶片領域經過驗證、並包含穩壓模組的IP，整合式穩壓和功率管理將變為普及。多數半導體設計團隊都未聘請 IC 電源設計師，這是由於他們對公司或設計團隊的核心能力通常沒有貢獻。擁有容易整合、低成本、隨即可用的模組，將擴大晶片上穩壓在多種應用中的使用。

Sunvir 的聯絡方式是 sunvir@onyxsemi.com；或請訪問 www.onyxsemi.com。

縮寫術語表

BOM — 材料清單

CMOS — 互補金屬氧化物半導體

FET — 場效應電晶體

LDO — 低壓差

LED — 發光二極體

PA — 功率放大器

PDA — 個人數位助理

RF — 射頻

RTC — 即時時鐘

TCXO — 溫控式晶振

 
 
 
 
 
 
 
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