電源管理集成電路的復用設計

肖麗榮劉志剛

1.炬芯（珠海）科技有限公司電源技術架構部；2.珠海美蓓亞精密馬達有限公司無刷馬達事業部

電源管理集成電路的復用設計

肖麗榮1劉志剛2

1.炬芯（珠海）科技有限公司電源技術架構部；2.珠海美蓓亞精密馬達有限公司無刷馬達事業部

本設計實現了降壓DC-DC電路和低壓差線性穩壓器LDO電路的電路復用，不但節省了SOC面積，還兼顧了低功耗和優性能，保證了方案的可靠性和穩定性。

概述

很多鋰電池供電的便攜設備都會將降壓直流-直流轉換（DC-DC）電路集成到片上系統（System-On-Chip，簡稱“SOC”）中，并使用降壓DCDC電路來延長電池的續航時間。降壓DC-DC電路的特點是電池的轉換效率高，開關噪聲大，其開關頻率在幾百KHz到幾MHz。

集成有降壓DC-DC電路的SOC所在的便攜設備既支持音頻和視頻的播放，同時也支持收音機或射頻（Radio Frequency，簡稱“RF”）等功能。實現播放音頻或視頻等功能的電路對高頻噪聲（如MHz級別或以上）的干擾并不太敏感，但是諸如實現收音機功能的電路對高頻噪聲的干擾就非常敏感了，甚至由于高頻噪聲的干擾會導致某些頻段的電臺無法被接收到。這些高頻噪聲干擾的一個主要來源是便攜設備中電源管理電路中的降壓DC-DC電路。

目前，為了解決實現收音機等功能的電路不受降壓DC-DC高頻噪聲干擾的一個主要方法是便攜設備中不使用降壓DC-DC電路，而使用低壓差線性穩壓器（Low Dropout Regulator，簡稱“LDO”）電路，LDO電路的特點是轉換效率低，無開關噪聲。因此，使用LDO電路的便攜設備就不會產生高頻噪聲，但是其缺點是電池的使用效率低，續航能力差。

本文的目的在于提供一種電源管理集成電路，使得在SOC中實現降壓DC-DC電路和LDO電路的復用，在盡可能節省SOC面積的同時，兼顧低功耗和優性能。

基本電路及工作原理

該集成電路包含了：電源功率管Q1、電源功率管Q2、電源功率管Q3、電感L1、控制器C1、反饋電路F1以及使能信號1和使能信號2。使能信號1和使能信號2可由總線配置其有效性。在同一時間段，使能信號1和使能信號2擇一有效。

當使能信號1有效時，上述電路按照降壓DC-DC的方式進行工作。其工作原理可以簡單分為三個階段：第一階段控制器C1控制電源功率管Q1導通、電源功率管Q2和Q3關斷，這時VIN（輸入電壓）給電感L1充電，同時也給VOUT供電。第二階段控制器C1控制電源功率管Q1關斷、電源功率管Q2導通、電源功率管Q3關斷，這時電感L1放電給VOUT（輸出電壓）以及VOUT上的負載。第三階段控制器C1控制電源功率管Q1和Q2關斷、電源功率管Q3導通，這個階段發生的條件是電感電流為0時，為了防止電感電流震蕩產生電磁干擾 （Electromagnetic Interference，簡稱“EMI”），所以將電源功率管Q1和Q2關斷，并將Q3導通，即將電感L1中的多余能量通過Q3消耗掉。反饋電路F1對輸出電壓VOUT進行實時檢測，當VOUT電壓低于特定值時通知控制器C1，控制器C1通過輸出信號CQ1、CQ2和CQ3來控制電源功率管Q1、Q2和Q3，從而保證DC-DC可正常穩定的工作。由于Q1、Q2和Q3反復開關給電感和輸出端充放電，可以看到SW這個節點有周期性的開關波形，對應的電感電流也是周期性變化的，開關周期大約在幾百KHz到幾MHz。在DCDC工作方式下，輸入端VIN的電能通過電感存起來再釋放給輸出VOUT，沒有過多的能量損失，因此其電源利用效率很高，通常可以高達90%或以上的轉換效率。

當使能信號2有效時，上述電路按照低壓差線性穩壓器LDO的方式工作。其工作原理為控制器C1控制電源功率管Q2處于完全斷開狀態，控制電源功率管Q3處于完全導通狀態，以及控制電源功率管Q1工作在可變電阻區，反饋電路F1對輸出電壓VOUT進行實時檢測，當VOUT電壓略低于特定值時，控制器C1通過輸出信號CQ1來減小Q1的導通電阻；當VOUT電壓略高于固定值時，控制器C1通過輸出信號CQ1來增大Q1的導通電阻，最終使輸出VOUT穩定在固定的電壓值上。由于Q2完全斷開， Q3完全導通，且Q1工作在可變電阻區呈現逐漸變化阻抗的特性，因此SW這個節點沒有周期性變化的開關波形，而是與VOUT基本相等的平滑的電壓波形，因此LDO工作方式不會帶來開關噪聲。然而，由于Q1工作在可變電阻區，輸入端VIN的電能會以電阻熱耗的形式有部分浪費在Q1上，導致電源利用效率較低。比如鋰電池3.8V的輸入通過LDO方式生成1.8V的輸出，那么效率只有47.3%。

圖1　

在集成了上述電路的便攜設備中，當播放音頻及視頻時，可以通過總線配置使使能信號1有效而使能信號2無效，此時該集成電路工作在DC-DC模式，保證了低功耗；當播放收音機和藍牙通訊等RF應用時，通過總線配置使使能信號2有效而使能信號1無效，此時該集成電路工作在LDO模式，保證了優性能。

由于電路的組成器件等同于降壓DC-DC電路的組成器件，并未額外增加用于實現LDO電路的器件，根據不同的使能信號，對各電源功率管進行相應的控制，實現不同使能信號所對應的電路。從而可以在不增加額外器件的情況下，在SOC中實現降壓DC-DC電路和LDO電路的復用，不但節省了SOC面積，同時可以根據需要決定采用功耗更低的降壓DC-DC電路，還是采用性能更好的LDO電路，兼顧了低功耗和優性能，保證了應用方案的可靠性和穩定性。

結語

該電源管理集成電路實現了降壓DC-DC電路和低壓差線性穩壓器LDO電路的電路復用，不但節省了SOC面積，還兼顧了低功耗和優性能，保證了方案的可靠性和穩定性。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.052