前言

今天，要滿(mǎn)足便攜式數(shù)字信號(hào)處理器（DSp）解決方法的電源需求，有多種不同的方法可供選擇。正常情形下，要兩個(gè)系統(tǒng)電壓：一個(gè)給DSp核使用，另一個(gè)則支持DSp的I/O單元和系統(tǒng)的其余部分。這類(lèi)應(yīng)用的重要考慮因素之一，是電源供給器必須擁有很高的工作效率以延長(zhǎng)電源的供電時(shí)間。本文將介紹一些直流電壓轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì)方式，并以Mp3網(wǎng)絡(luò)音頻播放機(jī)為范例，解釋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，并分析電源的工作效能、轉(zhuǎn)換效率以及成本。

問(wèn)題提出

今天的DSp組件大都要兩組電源，而且所能容忍的誤差范圍有限，因此不可能將電池的輸出直接送給它們使用，而必須設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)闹绷麟妷恨D(zhuǎn)換解決方法。

負(fù)載則是另一項(xiàng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。圖1以網(wǎng)絡(luò)音頻播放機(jī)評(píng)估模塊為例，顯示了核心與系統(tǒng)供給電流的瞬時(shí)變動(dòng)。當(dāng)評(píng)估模塊工作時(shí)，會(huì)有不同的軟件程序順序執(zhí)行，例如喚配DSp來(lái)服務(wù)DMA中斷要求、執(zhí)行譯碼的工作、或是存取媒體中的資料，這些都會(huì)反映在核心與系統(tǒng)電流的瞬時(shí)變動(dòng)方面。由于核心與系統(tǒng)都必須使用同樣的電源，因此當(dāng)電源脈沖同時(shí)出現(xiàn)的時(shí)候，系統(tǒng)的工作就可能發(fā)生問(wèn)題。因此，工程師必須用很低的成本供應(yīng)很高的工作效能，特別是關(guān)于使用電池的產(chǎn)品，當(dāng)要求電源供給電源擁有高工作效能時(shí)，就表示它必須供應(yīng)最大的電源轉(zhuǎn)換效率以及很長(zhǎng)的電池使用時(shí)間。直流電壓轉(zhuǎn)換器解決方法

以下降介紹直流電壓轉(zhuǎn)換器的不同設(shè)計(jì)方式，它們都可支持DSp核心與系統(tǒng)電路（這些電路都要兩組電源供給）。我們會(huì)用TI（德州儀器公司）的網(wǎng)絡(luò)音頻播放機(jī)評(píng)估模塊來(lái)實(shí)驗(yàn)這些設(shè)計(jì)，這套評(píng)估模塊采用了一個(gè)TMS320VC5410DSp組件，要3.3C的系統(tǒng)電源以及2.5V的DSp核電源。

這里所介紹的直流電壓轉(zhuǎn)換器都必須同時(shí)支持堿性電池、鎳鎘電池或是鎳猛氫電池，因此必須能夠應(yīng)付0.9～3.0V范圍的輸入電壓；另一方面，因?yàn)橄到y(tǒng)必須使用3.3V的電壓，而這已高于最大的輸入電壓，因此要一套升壓方法。本文將討論三種不同的電路：第一種電路是使用一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，然后在后面串接另一個(gè)LDO穩(wěn)壓器；第二種方法是利用一個(gè)可供應(yīng)兩組輸出電壓的“馳反式轉(zhuǎn)換器”（flybackconverter）；最后一種電路則是在升壓轉(zhuǎn)換器的后面串接一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器。

1.升壓轉(zhuǎn)換器與一個(gè)線(xiàn)性穩(wěn)壓器串聯(lián)

圖2是第一種解決方法，也是最簡(jiǎn)單的方法，就是在升壓變壓器的后面串接一個(gè)線(xiàn)性穩(wěn)壓器；我們將升壓轉(zhuǎn)換器的輸入端直接連到電池，然后再把輸出端（也就是系統(tǒng)電源的輸出端）串接到另一個(gè)線(xiàn)性穩(wěn)壓器，由它來(lái)出現(xiàn)較低的核心電壓。

圖2所示，標(biāo)準(zhǔn)的升壓轉(zhuǎn)換器會(huì)包含一個(gè)主動(dòng)開(kāi)關(guān)，它的動(dòng)作是由一個(gè)“脈寬調(diào)制”（pWM）的機(jī)制來(lái)控制。當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電池會(huì)對(duì)電感器充電，若這個(gè)主動(dòng)開(kāi)關(guān)被切斷，那么電流就會(huì)通過(guò)整流器，然后進(jìn)入輸出電容，于是這個(gè)電容就被充電。

受到了升壓轉(zhuǎn)換器特性的影響，它的輸入電流會(huì)持續(xù)，但輸出電流卻不會(huì)，因此當(dāng)您在選擇轉(zhuǎn)換器的輸入電容與輸出電容時(shí)，這個(gè)特性是一項(xiàng)重要考慮的因素，后面將詳細(xì)討論這一點(diǎn)。為了提高轉(zhuǎn)換效率，建議您使用一個(gè)同步整流器來(lái)搭配這個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器。這種整流器為了降低導(dǎo)通時(shí)的功率損失，會(huì)使用一個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)晶體管來(lái)取代常見(jiàn)的二極管。另一方面，為了要出現(xiàn)核心電壓，我們還會(huì)使用另外一個(gè)線(xiàn)性穩(wěn)壓器。在這里的設(shè)計(jì)中，額定的電壓降為0.8V（從3.3V降為2.5V），因此我們必須選擇一個(gè)低壓降的LDO線(xiàn)性穩(wěn)壓器。

2.雙輸出電壓的馳反式轉(zhuǎn)換器

圖3是一個(gè)供應(yīng)了兩組輸出電壓的馳反式轉(zhuǎn)換器，這個(gè)馳反式轉(zhuǎn)換器的輸入端會(huì)直接連到電池。

若從電池的角度來(lái)?yè)淇耍妮斎攵伺c升壓轉(zhuǎn)換器的輸入端非常類(lèi)似，只有整流階段有些不同；此時(shí)，電感器會(huì)被分成三個(gè)線(xiàn)圈，由初級(jí)線(xiàn)圈負(fù)責(zé)充電（與升壓轉(zhuǎn)換器相同），然后再透過(guò)兩個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈來(lái)放電。另一方面，它也是透過(guò)脈寬調(diào)制的方式來(lái)供應(yīng)穩(wěn)壓功能，但只有一個(gè)輸出端可被直接穩(wěn)壓，第二個(gè)輸出端則是透過(guò)兩個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈的繞比來(lái)間接達(dá)到穩(wěn)壓效果。當(dāng)電感器放電時(shí)，電流總是會(huì)流入電壓最低的輸出端。

必須注意的是，在某些極端的工作條件下，未穩(wěn)壓輸出端可能發(fā)生問(wèn)題，例如未穩(wěn)壓輸出端承受了最大的負(fù)載，而穩(wěn)壓輸出端卻只有很小的負(fù)載、甚至完全沒(méi)有負(fù)載。為了防止這個(gè)問(wèn)題，若您決定使用脈寬調(diào)制的方式來(lái)控制穩(wěn)壓輸出，而這個(gè)控制器又負(fù)責(zé)控制馳反電路的開(kāi)關(guān)晶體管，那么這點(diǎn)也必須列入考慮。此外，在選擇電容時(shí)，也須了解在這樣的電路中，輸入電流與輸出電流都是不持續(xù)的。

針對(duì)多組輸出電壓的馳反式電源供給，目前并沒(méi)有轉(zhuǎn)換器可支持這類(lèi)電路的同步整流功能，因此不可能設(shè)計(jì)一個(gè)體積很小的高效率電源供給器。在測(cè)試電路中，系統(tǒng)與核心的電源電壓只相差0.8V，相較于“同步升壓器+LDO穩(wěn)壓器”的方法，使用異步的馳反式方法并不能為我們帶來(lái)更高的轉(zhuǎn)換效率。此外，馳反式方法的設(shè)計(jì)不但要更高的成本，而且還會(huì)占用更多的電路板面積，這是因?yàn)樗仨毷褂锰厥獾碾姼衅鳎@類(lèi)電感器的體積與價(jià)格都遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的升壓電感器，因此在本文中，我們并未考慮這種方法。

3.升壓轉(zhuǎn)換器后面串接一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器

第三個(gè)方法是在升壓轉(zhuǎn)換器的后面串接一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，它的成本最昂貴，但是轉(zhuǎn)換效率也最高。在前一個(gè)方法中，我們是把一個(gè)LDO穩(wěn)壓器串接在升壓轉(zhuǎn)換器的后面；此處，我們?nèi)匀皇褂昧艘粋€(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，但它后面串接的并不是LDO穩(wěn)壓器，而是一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器。圖4使用了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的降壓轉(zhuǎn)換器，這個(gè)轉(zhuǎn)換器有一個(gè)主動(dòng)脈寬調(diào)制的開(kāi)關(guān)晶體管。當(dāng)開(kāi)關(guān)晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電感器會(huì)被充電；當(dāng)開(kāi)關(guān)晶體管被切斷之后，電路就進(jìn)入放電階段，電感器的電流也會(huì)流過(guò)降壓轉(zhuǎn)換器的整流二極管。在這個(gè)方法中，輸入電壓與輸出電壓的比例也是由開(kāi)關(guān)晶體管的負(fù)載周期決定。

要含義輸入與輸出電容，必須了解在一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器當(dāng)，輸入電流是不持續(xù)的，而輸出電流則是持續(xù)的，這可協(xié)助我們將電路設(shè)計(jì)最佳化。假如我們能設(shè)計(jì)降壓轉(zhuǎn)換器的控制方式，讓它要輸入電流的時(shí)候，正好就是升壓轉(zhuǎn)換器供應(yīng)輸出電流的同時(shí)，那么只要透過(guò)“上升邊緣/下降邊緣”（trailingedge/leadingedge）的同步控制，就可降低它關(guān)于系統(tǒng)電壓存儲(chǔ)電容的要求。換句話(huà)說(shuō)，當(dāng)升壓轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)晶體管被切斷后，降壓轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)晶體管才會(huì)導(dǎo)通。除了這種控制方式之外，只要使用同步整流的方式，并且用一MOSFET晶體管來(lái)取代二極管，那么降壓器的轉(zhuǎn)換效率還能進(jìn)一步新增。

電容器

升壓轉(zhuǎn)換器的輸入端有一個(gè)輸入電容，它重要是在升壓器的輸入端以及電池和電池的相關(guān)電路（電池的電極、電線(xiàn)與印制電路板上的導(dǎo)線(xiàn)）之間供應(yīng)解耦合功能。一般而言，只要使用越大的電容，對(duì)電池就越有幫助。但是，要讓這個(gè)電容發(fā)揮功效，它的等效串聯(lián)阻抗（ESR）必須小于電池與導(dǎo)線(xiàn)的總電阻值。若事先了解這些設(shè)計(jì)參數(shù)，就可將它們做最佳化處理。由于升壓轉(zhuǎn)換器的輸入端電流為持續(xù)，因此只須用輸入電容來(lái)供應(yīng)解耦合功能，并且減少輸入電流中的紋波成份即可。只要達(dá)成這些目標(biāo)，就算我們對(duì)這個(gè)電容采用非常低成本的設(shè)計(jì)，也不會(huì)影響到電源轉(zhuǎn)換效率。

在升壓/馳反式的設(shè)計(jì)中，我們必須使用一個(gè)輸出電容，這樣當(dāng)電感在進(jìn)行充電時(shí)，才能供應(yīng)負(fù)載所需的電流；因此，這個(gè)電容值與它的等效串聯(lián)阻抗值就成為輸出電流漣波ripple的決定性因素。為了計(jì)算所允許的最小電容值，必須將一些參數(shù)列入考慮，包括最大輸出電流、輸出電壓紋波成份以及負(fù)載周期與切換頻率。此外，還可利用這個(gè)輸出電容來(lái)應(yīng)付輸出電流的瞬時(shí)脈沖，只要這個(gè)脈沖的“轉(zhuǎn)角頻率”（vormerfrequency）高于升壓轉(zhuǎn)換器的“交越頻率”（crossoverfrequency）。為了達(dá)成這個(gè)目標(biāo)，必須選擇一個(gè)高效能的電容，例如陶瓷電容或是“等效串聯(lián)電阻/等效串聯(lián)電感”（ESR/ESL）都是很小的鉭質(zhì)電容。LDO穩(wěn)壓器也使用輸出電容，但重要是用來(lái)穩(wěn)定它的控制回路。由于LDO穩(wěn)壓器的回路增益很高，因此通常不必為了滿(mǎn)足瞬時(shí)電流脈沖的需求，去新增額外的輸出電容。在這種情形下，若將電能儲(chǔ)存在LDO穩(wěn)壓器的輸入端，就可得到更好的效果。此外，由于降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電流也不持續(xù)，因此它的輸入電容也具有存儲(chǔ)電能的效果，這會(huì)對(duì)輸入電流脈沖出現(xiàn)阻尼用途，進(jìn)而減少電流脈沖關(guān)于電路零件的沖擊。

由于降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電流是持續(xù)的，因此在最理想的情形下，不必接上額外的電容，但在實(shí)際的應(yīng)用中，為了穩(wěn)定控制回路，并且應(yīng)付轉(zhuǎn)角頻率高于降壓轉(zhuǎn)換器交越頻率的高速瞬時(shí)電流脈沖，我們建議使用一個(gè)高效能的輸出電容。另一方面，要應(yīng)付轉(zhuǎn)角頻率低于交越頻率的電流脈沖，最好是把電能儲(chǔ)存在降壓轉(zhuǎn)換器的輸入端，這是因?yàn)檩斎攵说墓ぷ麟妷狠^高，因此就算我們使用同樣大小的電容，而且這些電容的額定電壓值也相同，它還是可以?xún)?chǔ)存多的電能。

最終的設(shè)計(jì)與測(cè)量結(jié)果

1.電源供給器的要求

本文使用了一套網(wǎng)絡(luò)音頻評(píng)估模塊來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，它要2.5V的核心電壓與120mA的最大電流；另一方面，系統(tǒng)的電源供給則為3.3V，所需最大電流為70mA。

2.找出核心與系統(tǒng)電流的轉(zhuǎn)角頻率

圖5是一組示波器圖形，針對(duì)核心（a）與系統(tǒng)（b）的供應(yīng)電流，分別顯示面對(duì)最高速電流脈沖時(shí)的上升邊緣。

利用上升邊緣的上升時(shí)間，可計(jì)算出電路的轉(zhuǎn)角頻率（fc=0.35/tr），而核心電流的計(jì)算結(jié)果則是在230KHz的范圍內(nèi)。由于直流電壓轉(zhuǎn)換器的跨越頻率通常是在10KHz左右，因此為了降低這個(gè)轉(zhuǎn)角頻率，必須使用額外的儲(chǔ)存與阻隔電容。如何可使用一個(gè)等效串聯(lián)阻抗小于3Ω的10μF鉭質(zhì)電容，它可將轉(zhuǎn)角頻率降低至1KHz以下，并進(jìn)入我們所能接受的范圍。利用給定的脈沖數(shù)據(jù)，計(jì)算出轉(zhuǎn)角頻率為20KHz，因此為了確保電路動(dòng)作正常，須加入一個(gè)10μF左右的電容，讓這個(gè)頻率降低至1KHz以下。

3.找出系統(tǒng)電源供給的最大電流脈沖

在圖6的示波器圖形中，顯示了最壞情形下的總系統(tǒng)電流，由于這個(gè)電流脈沖峰值已經(jīng)超過(guò)了系統(tǒng)最大工作電流，因此必須加大系統(tǒng)電源供給器（升壓轉(zhuǎn)換器的輸出）的儲(chǔ)存電容，才能滿(mǎn)足這個(gè)電流脈沖的要求。利用這個(gè)脈沖的參數(shù)資料，可計(jì)算出所需的電容值，讓這個(gè)脈沖電流最多只會(huì)造成0.1V的電壓降。

根據(jù)計(jì)算的結(jié)果可知，最少要225μF的儲(chǔ)能電容，而且它們的等效串聯(lián)阻抗必須小于0.1Ω。為滿(mǎn)足這項(xiàng)要求，我們選擇了兩個(gè)120μF的鉭質(zhì)電容，它們的等效串聯(lián)阻抗只有0.85Ω，然后在前面所介紹的兩種電路架構(gòu)中，將這兩個(gè)電容并聯(lián)至升壓轉(zhuǎn)換器的輸出端。除了加大電容值之外，還有一種方法也可以應(yīng)付這種電流脈沖，就是使用輸出電流能力更強(qiáng)的直流電壓轉(zhuǎn)換器，但通常這種方式的成本較高，但通常這種方式的成本較高，也要更多的電路板面積。

“升壓轉(zhuǎn)換器+LDO穩(wěn)壓器”的電路說(shuō)明

圖7是一個(gè)測(cè)試電路，它使用一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器和一個(gè)串接在后的LDO穩(wěn)壓器，其中升壓轉(zhuǎn)換器采用了TI的TpS1016組件，它是一個(gè)內(nèi)建開(kāi)關(guān)晶體管的同步升壓轉(zhuǎn)換器，可以供應(yīng)3.3V的固定輸出電壓；此外，這顆轉(zhuǎn)換器還能支持0.9～3.0V范圍的完整輸入電壓。如同圖中所示，這顆組件只須少數(shù)幾個(gè)外接零件部可順工作，它必須搭配輸入電容以及輸出電容，這些電容值可按前面的方法來(lái)計(jì)算。至于LDO穩(wěn)壓器則是使用了另一個(gè)TpS76925組件。為了保持電路的穩(wěn)定動(dòng)作，還必須在輸出端加上一個(gè)小的鉭質(zhì)電容。

表1就是這個(gè)電路的元器件清單以及每種元器件所占的成本。表1升壓轉(zhuǎn)換器+LDO穩(wěn)壓器的電路零件與成本

元器件說(shuō)明成本（%）輸入電容10μFX5R6.3V10升壓轉(zhuǎn)換的輸出電容2X120μF594D6.3V34LDO穩(wěn)壓器的輸入電容1μFX5R6.3V1LDO穩(wěn)壓器的輸出電容10μF293D10V7升壓轉(zhuǎn)換器的電感CDR637升壓轉(zhuǎn)換器TpS61016DGS30LDO穩(wěn)壓器TpS76925DBV10其它被動(dòng)零件1總計(jì)100

表2升壓轉(zhuǎn)換器+降壓轉(zhuǎn)換器的電路元器件與成本

元器件說(shuō)明成本（%）輸入電容10μFX5R6.3V10升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電容2X120μF594D6.3V34降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電容1μFX5R6.3V1降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電容22μFX5R6.3V17升壓轉(zhuǎn)換器的電感CDR637降壓轉(zhuǎn)換器的電感LQH4C3升壓轉(zhuǎn)換器TpS61016DGS30降壓轉(zhuǎn)換器TpS62006DGS30其他被動(dòng)零件1總計(jì)100

圖8則是“升壓轉(zhuǎn)換器+LDO穩(wěn)壓器”方法在1.2V輸入電壓（單顆NiXX電池）下正常工作時(shí)，核心電壓與系統(tǒng)電壓的紋波成份。

圖8可看出，紋波的幅度比原設(shè)計(jì)值還小。此外，根據(jù)圖9的上面一條波形（100mV的紋波），可找出正常工作情形下（播放音樂(lè)），網(wǎng)絡(luò)音頻評(píng)估模塊的功率損耗與輸入電壓之間的關(guān)系。例如電壓降低時(shí)，電流就會(huì)新增，而造成升壓轉(zhuǎn)換器輸入電路的功率損耗上升。

4.“升壓轉(zhuǎn)換器+降壓轉(zhuǎn)換器”的電路說(shuō)明

圖10也是一組測(cè)試電路，它使用一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器和串接在后的壓轉(zhuǎn)換器。這組升壓電路與“升壓轉(zhuǎn)換器+LDO穩(wěn)壓器”解決方法中的電路完全相同，降壓轉(zhuǎn)換器則使用了TpS62006組件，這是一個(gè)內(nèi)建開(kāi)關(guān)晶體的同步降壓轉(zhuǎn)換器則使用了TpS62006組件，這是一個(gè)內(nèi)建開(kāi)關(guān)晶體的同步降壓轉(zhuǎn)換器，可供應(yīng)2.5V的固定輸出電壓，也是最容易與升壓轉(zhuǎn)換器同步的組件。

表2就是電路的總成本，它是根據(jù)整個(gè)電路的零件清單計(jì)算而得。

圖11（電壓波形圖）以及圖9（功率消耗，位置較低的波形）則是我們所測(cè)量的結(jié)果。

結(jié)論

比較測(cè)量所得的電力損耗值，很清楚發(fā)現(xiàn)“升壓轉(zhuǎn)換器+降壓轉(zhuǎn)換器”方法最有效率。例如在只用一個(gè)電池的情形下，“升壓轉(zhuǎn)換器+LDO穩(wěn)壓器”方法可供應(yīng)4.2小時(shí)的工作時(shí)間，而“升壓轉(zhuǎn)換器+降壓轉(zhuǎn)換器”方法卻能供應(yīng)5小時(shí)的電力，這比前者多出了20%的電池使用時(shí)間。但“升壓轉(zhuǎn)換器+降壓轉(zhuǎn)換器”方法也有缺點(diǎn)，成本比前者高出33%，并且必須使用更多的電路板面積。毫無(wú)疑問(wèn)的，“升壓轉(zhuǎn)換器+LDO穩(wěn)壓器”電路的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單多了，只須執(zhí)行較少的計(jì)算，就可選擇正確的零件，也不必實(shí)現(xiàn)任何的同步功能。

就DSp的未來(lái)發(fā)展而言，核心與I/O（系統(tǒng)）的電壓差距正在新增，于是這兩種方法的功率損耗差距也會(huì)隨之新增，這會(huì)讓馳反式解決方法更加有吸引力。