以电池为电源的小型系统经常需要多种直流电压。比如,传呼机中的1.5V单节电池电压必须转换为接收器、逻辑电路及显示器所需的其它电压。充电泵在低电流(<100mA)应用中表现出超过开关式转换器的一些极富吸引力的优势。对于习惯选择开关式调整器的设计师,也许应该仔细考虑一下充电泵,本文就开关式调整器、充电泵和调整型充电泵三种方案作出比较和分析。
图1分别为基于电感的开关式调整器、无调整电容式充电泵转换器以及调整型充电泵转换器的简单原理框图。三个电路的工作过程均为:首先贮存能量,然后以受控方式释放能量,以获得所需的输出电压。开关式调整器采用电感来贮存能量,而充电泵采用电容。
最佳的直流-直流转换器应该以最低的安装成本满足系统的所有要求。要满足这些要求,转换器必须具备一系列特定的特性,它们通常包括:效率高、安装尺寸小、静态电流低、最小工作电压较低、噪声小、功能集成度高、足够的输出调整能力和安装成本低。
转换效率方面的比较
1. 开关式调整器
大多数以电池为电源的低成本开关调整器的电源转换效率通常为80-85%。损耗主要来自外部二极管和调制器开关中的功率耗散(图1)。
2. 无调整充电泵
基本型充电泵(比如TC7660H)具有极高的电源转换效率(通常90%以上)。这是由于损耗主要来自电容的ESR和内部开关晶体管的RDSON。二者均可达到很低的指标。
3. 调整型充电泵
调整型充电泵(图1)是在基本型充电泵的输出端增加一低压降线性后端调整器。它提供了调整能力,但也增加了功率耗散,从而使效率降低。为达到最高效率,充电泵的输出应该与后端调整器的输出电压尽量接近。
4. 最佳选择
在输出调整要求不高时可选择无调整充电泵；如果后端调整器两端的压差不大,可选择调整型充电泵。
安装尺寸方面的比较
1. 开关式调整器
虽然许多新型开关式调整器采用SOT封装,但他们仍需要一只体积通常较大的外部电感。开关式调整器本身的电路布局有时占用额外的线路板空间(额外的去耦、特殊接地及屏蔽等)。
2. 充电泵
充电泵是无须电感的,但需要外部电容。新型充电泵采用SOP封装,并工作于较高的频率,因此可使用小型电容(1μF),使空间占用最小。基本型充电泵转换器可对输入电压进行反相、倍压或降压。某些情况下,充电泵IC与外部电容合占的空间比开关式调整器的电感还要小!由充电泵同时生成正压和负压输出也更为容易。类似TCM680这样的器件仅用外部电容即可提供±2倍的输出电压。而开关式调整器要获得同样的输出电压则需两个单独的转换器,或者用一个转换器,但拓扑结构相当复杂而且必须采用一只变压器。
3. 调整型充电泵
增加分立的后端调整器占用更多空间,不过此类调整器很多采用SOT封装,从而缓解了这一问题。新型调整型充电泵,如TCM850,在一个8引脚SOIC封装中集成了充电泵、可调式后端调整器和关机控制电路。
4. 最佳选择
无调整充电泵或调整型充电泵。
静态电流方面的比较
1. 开关式调整器
频率调制(PFM)开关式调整器是静态电流最小的开关式拓扑结构之一。频率调制的电压调整器在负载电流较小时供电电流最小。
2. 无调整充电泵
充电泵的静态电流与工作频率成正比。多数新型充电泵工作在150kHz以上,从而可使用1μF(甚至更小)的电容。为克服因此而带来的静态电流较大的问题,某些充电泵具有关闭控制端,可在长时间待机状态下关闭充电泵,使供电电流近乎为0。
3. 调整型充电泵
后端调整器增加了静态电流,因此调整型充电泵在该方面甚至比基本型充电泵还要差。
4. 最佳选择
开关式调整器(特别是频率调制(PFM)开关调整器)。
最小工作电压比较
1. 开关式调整器
专用的电池供电开关调整器(如TC16)可工作于1V甚至更低的电压,因此非常适合单节电池供电的应用。
2. 充电泵/调整型充电泵
多数充电泵的最小工作电压为1.5V或更高,因此适合至少两节电池的应用。但请注意:更低输入电压的充电泵即将出现。
3. 最佳选择
开关式调整器(至少在目前)。
噪声比较
1. 开关式调整器
众所周知,开关式调整器是电源噪声和辐射开关噪声(EMI)的来源。宽频带PFM开关调整器更是如此,它产生的噪声频带较宽。许多供应商提供高频率开关式调整器,所产生的噪声远在系统工作频带之外。
2. 充电泵/调整型充电泵
充电泵转换器不使用电感,因此其辐射EMI可以忽略。输入端噪声可用一只小型电容滤除。
3. 最佳选择
无调整充电泵或调整型充电泵。
集成度的比较
1. 开关式调整器
现有多家供应商提供将开关调整器与其它功能(如电压检测器和线性调整器)集成在一起的芯片。比如,TC16就在一个SO-8封装内集成PFM升压转换器、LDO和电压检测器。与分立方案相比,此类器件具有优良的电气特性,并且占用较小空间。
2. 充电泵
基本型充电泵,如TC7660,没有额外的功能集成。
3. 调整型充电泵
在近期推出的调整型充电泵中,功能集成有增加的趋势。显然,下一代调整型充电泵的功能集成度将与最新式的开关式调整器相差无几。
4. 最佳选择
开关式调整器(至少目前)。
输出调整能力比较
1. 开关式调整器
对多数便携应用来说,电池供电的低成本开关式调整器的调整能力都绰绰有余。一些开关转换器还具有外部补偿引脚,允许用户根据自身的应用细微调整输出瞬态响应特性。
2. 充电泵
此类器件无调整功能。它们只是对输入电压进行转换(n×VVIN,其中n为整数)。因此,输出电压会随着负载电流的增加而下降。虽然这对某些应用(如LCD偏置)来说并不是问题,但多数其它应用都需要有调整能力的输出电压。
3. 调整型充电泵
调整能力是通过后端线性调整器(片上或外部)实现的。某些情况下,可能需要增加充电泵的开关级数,以便为后端调整器提供足够的活动空间。这需要增加外部电容,从而对尺寸、成本和效率带来负面影响。尽管如此,后端线性调整器可使调整型充电泵的输出调整能力与开关式调整器一样好(有时甚至更好)。
4. 最佳选择
调整型充电泵。
安装成本比较
1. 开关式调整器
与以前相比,开关调整器的价格已降至更合理的水平,外部元件也更少了。然而,他们通常至少需要一只外部电感、电容和肖特基二极管。二极管、电感的成本,加上相对较高的开关式调整器的价格,使安装成本高于充电泵,特别在需要屏蔽的时候。
2. 充电泵
无调整充电泵比开关式调整器便宜,因为它们保持多家供货(保证获得有竞争力的价格),并仅需外部电容(无电感),因此可节约线路板空间,节省了电感成本,某些情况下还可节省屏蔽成本。
3. 调整型充电泵
不同的器件在成本上有些差异,但调整型充电泵的成本与开关调整器大致相当。某些情况下,可使用外部的后端调整器以节约成本,但会牺牲尺寸和效率。
4. 最佳选择
充电泵(不需要严格稳压的场合)。其它场合,调整型充电泵与开关式调整器在成本上大致相当。
本文小结
表1对上述比较进行了归纳。从表中可看出:在需要100mA以下输出电流的应用中,开关式转换器、无调整充电泵和调整型充电泵各有优势。无调整充电泵和调整型充电泵的性能非常接近开关式调整器；如果考虑所有因素,前两者在某些情况下甚至更优。因此,当您进行便携式应用的设计时,在着手使用开关调整器之前,不妨仔细考虑一下充电泵!
夏宇红
现场应用经理
Don Alfano
高级工程师
Microchip Technology公司
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