不斷縮小的電子電路對電源提出了跟上步伐的要求。PCMCIA卡格式迫使設計人員考慮轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu),并密切關(guān)注滿足超薄設計要求的組件。本教程討論PMICIA卡的轉(zhuǎn)換器設計。對于超薄設計,本文推薦使用線性穩(wěn)壓器、電荷泵和基于電感的開關(guān)穩(wěn)壓器。分析了幾種轉(zhuǎn)換器拓撲的弱點。
除了必須最大限度地降低噪聲、實現(xiàn)高效率并避免上電期間的浪涌電流外,電源設計人員還必須遵守PCMCIA卡上元件的嚴格高度限制。用于PCMCIA卡的DC/DC轉(zhuǎn)換器具有一系列應用,可產(chǎn)生一系列轉(zhuǎn)換要求。應用包括閃存器件的 12V 生成、模擬電路的 -5V 生成以及 3.3V 至 5V 和 5V 至 3.3V 轉(zhuǎn)換。其中一些應用的出現(xiàn)是由于5V不耐受的DRAM芯片和3.3V PC卡標準的出現(xiàn)。
這些應用的潛在電源電路包括線性穩(wěn)壓器;電荷泵;以及降壓、升壓、反激和反相開關(guān)模式穩(wěn)壓器。穩(wěn)壓器控制方案包括線性、自由運行、脈寬調(diào)制 (PWM) 和脈沖頻率調(diào)制 (PFM)。相互沖突的設計要求包括低高度、小面積、低成本、高效率、低浪涌電流,以及在某些情況下的低EMI輻射。
3.3V至5V的轉(zhuǎn)換是一個關(guān)鍵的DC/DC轉(zhuǎn)換器應用,因為PCMCIA 3V/5V工作組準備發(fā)布3.3V PC卡標準,該標準計劃于2月發(fā)布。該標準取代了1.3版,并允許僅以3.5V運行的主機系統(tǒng)。它指定硬件密鑰,以防止在僅 3.3V 的主機插槽中插入僅 3V 的卡,反之亦然。為了與各種主機系統(tǒng)兼容,PC 卡的 Vline 應接受來自主機的 3.5V 或 3V。但是,許多卡不接受3.<>V,需要升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器才能實現(xiàn)更高的電壓。
將3.3V升壓至5V的電路包括PWM升壓穩(wěn)壓器、PFM升壓穩(wěn)壓器和電荷泵。電荷泵(圖1a)是最小、成本最低的選擇。您可以制造具有薄型的電荷泵,因為這些泵沒有電感器或變壓器。然而,電荷泵在3.3V時的半負載效率僅為75%,比基于電感的開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的效率低10%至12%。
在工作時,電荷泵將外部電容器充電至不同的電壓,然后并聯(lián)。由此產(chǎn)生的損耗導致電荷泵效率在很大程度上取決于輸入輸出電壓的比值。效率與輸入電壓的關(guān)系圖在V時出現(xiàn)峰值外是 V 的偶數(shù)倍數(shù)在 (圖1b)。在任何情況下,75%的效率與1型PCMCIA卡上的電感開關(guān)穩(wěn)壓器所達到的效率相當,因為扁平電感器固有的高直流電阻。與基于電感的電路不同,電荷泵的效率是恒定的,負載電流小至1mA。
圖1.由于電荷泵(a)具有低成本和小尺寸的特點,因此可能是3.3V至5V轉(zhuǎn)換器的不錯選擇。電荷泵的效率與輸入電壓的關(guān)系(b)顯示一條曲線,該曲線在輸入電壓的偶數(shù)倍處達到峰值。
電荷泵中的眾多大電流開關(guān)限制了其相對于電感電路的輸出電流能力。但是,開關(guān)允許您通過并聯(lián)電荷泵來獲得更高的電流。此外,電荷泵在啟動時吸收的浪涌電流比大多數(shù)電感電路小,并且在關(guān)斷模式下輸出電壓降至零,這與電感升壓電路不同。電荷泵還提供快速啟動,這有助于系統(tǒng)在休眠模式后實現(xiàn)快速內(nèi)存訪問。
高開關(guān)頻率允許您在電荷泵電路中使用小電容器。該電路包括一個可選的V抄送-旁路MOSFET,可在V時提高3V/5V系統(tǒng)的效率抄送為 5V。最壞情況下負載條件下的啟動時間為500μs,相應的峰值浪涌電流為600mA。通過使用PWM或其他門控時鐘信號在啟動期間驅(qū)動芯片的關(guān)斷引腳一兩毫秒,可以進一步改善啟動條件。
基于電感的穩(wěn)壓器非常高效
與其他穩(wěn)壓器拓撲相比,基于電感的升壓穩(wěn)壓器具有幾個關(guān)鍵優(yōu)勢。首先,升壓穩(wěn)壓器簡單高效。它們電感和輸入源的串聯(lián)輔助連接提供比其他選項(如反激式和正激式轉(zhuǎn)換器)更低的峰值電感電流。低峰值電流允許使用小型電容器和電感器,具有低I2損耗并提供高效率。低電阻提供更好的效率,但通常需要更大、更昂貴的組件。
高浪涌電流和無法關(guān)斷電路抵消了基于電感的升壓穩(wěn)壓器的優(yōu)勢。您可以添加具有慢導通特性的可選高邊開關(guān),以適應這些缺點。升壓穩(wěn)壓器(圖 2)采用 PFM 控制環(huán)路,利用小型外部元件提供出色的輕負載效率。噪聲和EMI輻射高于傳統(tǒng)的PWM穩(wěn)壓器。靜態(tài)電源電流在 V 時的平均電流僅為 50μA在= 3.3V,相對較高的開關(guān)頻率(300kHz)允許使用5μH或更小的低值電感器。
圖2.使用最大高度為 1.2mm 的組件,您可以設計超薄 3.3V 至 5V PFM 升壓穩(wěn)壓器。
PFM升壓電路的另一個特點是其扁平封裝,可容納1型PCMCIA卡。除肖特基整流二極管外,所有組件均為超扁平,最大高度為1.2mm。該二極管是摩托羅拉的500mA鉻勢壘型,采用SOD-123封裝,最大高度為1.35mm。對于 Type-1 卡,二極管不夠平坦,除非您偏移卡盒中的印刷電路板。穩(wěn)壓器IC封裝為SOT-144,最大高度為1.1mm。
其他組件包括PFET開關(guān),這是德州儀器的低閾值器件,采用TSSOP(最大高度為1.1mm),具有高CV產(chǎn)物的扁平保形涂層鉭電容器(Sprague最大高度為1.2mm),以及Coiltronics的寶石狀平面鐵氧體電感器(高度為1.19mm)。超薄電感器具有高直流電阻(約 0.5 μhm),效率比適用于 II 型 PCMCIA 卡的高電感器低 5%。
通常,只有當卡包含RF接收器或其他帶有開關(guān)穩(wěn)壓器的敏感模擬電路時,噪聲和EMI才會成為問題。在這種情況下,可以使用固定頻率PWM升壓穩(wěn)壓器,例如170kHz MAX751,其諧波不會干擾接收器的頻段。另一種選擇是使用PFM穩(wěn)壓器,它產(chǎn)生的噪聲頻譜比PWM穩(wěn)壓器更寬。因此,PFM穩(wěn)壓器不會干擾大多數(shù)PC卡上的數(shù)字電路。脈沖跳躍PFM穩(wěn)壓器產(chǎn)生的隨機頻譜可在任何一個頻率下產(chǎn)生較少的噪聲。此特性有助于 FCC 認證。
控制浪涌電流
浪涌電流與電源電壓上升時間是設計PCMCIA卡電源時的一個重要權(quán)衡因素。對于許多系統(tǒng)而言,穩(wěn)壓器中的高峰值電流限值允許更快的上升時間,這反過來又允許系統(tǒng)在從深度睡眠或斷電狀態(tài)返回時更快地訪問存儲器。然而,高峰值電流在上電時會產(chǎn)生高浪涌,因為穩(wěn)壓器試圖通過將大電流傾倒到輸出電容中來糾正其反饋誤差。
升壓穩(wěn)壓器增加了啟動尖峰(通常為20μs脈沖,為2A或更高),通過源極、電感和整流器的串聯(lián)連接為輸出電容充電,從而加劇了浪涌電流問題。當啟動尖峰加入輸入電容的浪涌電流時,總電流很容易超過10A(圖3)。對于許多小型系統(tǒng),電流尖峰會使旁路電容不堪重負。對于其中許多系統(tǒng),電流尖峰可能導致監(jiān)視器出現(xiàn)電源故障、激活重置以及在系統(tǒng)嘗試切換 V 后重新啟動計算機抄送到卡上。
圖3.不帶高端開關(guān)的升壓穩(wěn)壓器的輸出電壓(2V/格的上部波形)(a)和輸入電流(下部波形為2A/格)。V電路響應在= 3.3V 和 R負荷= 25 微歐姆。水平刻度為 100μs/div。具有慢速高邊開關(guān)的升壓穩(wěn)壓器的輸出電壓(2V/格時為上限波形)(b)和輸入電流(下部波形為500mA/div)。水平刻度為 500μs/格。
抑制浪涌電流尖峰的最佳方法是添加一個高端開關(guān)(圖 4)。該開關(guān)是一個邏輯電平p溝道MOSFET,加上柵極電路中的一個RC網(wǎng)絡,用于延遲導通。在柵極-漏極結(jié)兩端增加米勒電容可進一步降低PFET的開關(guān)速度。要將啟動延遲200μs,請控制IC的關(guān)斷引腳。停機引腳允許旁路電容器的輸入浪涌電流在使能開關(guān)穩(wěn)壓器之前建立。
圖4.您可以使用 FET 開關(guān)來抑制浪涌電流尖峰,該開關(guān)的導通特性因 RC 時間常數(shù)而延遲。
高端開關(guān)還解決了升壓轉(zhuǎn)換器在開關(guān)穩(wěn)壓器關(guān)斷時輸出電壓無法完全關(guān)斷的問題。相反,V外驟降至等于 V 的電壓在減去二極管壓降。此電壓電平可能會在掛起和待機模式下無意中為 PCMCIA 卡供電。高邊開關(guān)通過斷開電源與電路的連接來阻止不需要的電源。
軟啟動是降低啟動時浪涌電流的另一種方法。軟啟動電路通常包括一個外部定時電容器,允許穩(wěn)壓器的峰值電流限制逐漸上升。當與慢響應輸入開關(guān)結(jié)合使用時,軟啟動功能為在輸出上升時間與輸入浪涌電流之間進行權(quán)衡提供了一種解決方案。
可承受 5V 電壓的降壓型穩(wěn)壓器
當裝滿低壓IC的卡必須承受5V輸入才能與僅5V主機兼容時,降壓穩(wěn)壓器非常重要。降壓型設計的權(quán)衡是選擇使用線性穩(wěn)壓器或開關(guān)穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器體積小且價格便宜,所需濾波電容器的低值降低了浪涌電流。它們的缺點是效率低。如果忽略基極電流和靜態(tài)電流,線性穩(wěn)壓器的效率理論上等于V外/V在,對于 66V 至 5.3V 轉(zhuǎn)換器,為 3%?;赑FET的電路(圖5a)接近理論效率,因為它沒有pnp基極電流,靜態(tài)電流低至7μA。
在開關(guān)穩(wěn)壓器中,降壓拓撲在降壓應用中明顯優(yōu)于反激式和單端初級電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)。與升壓穩(wěn)壓器類似,降壓穩(wěn)壓器的峰值電感電流水平相對較低,因此可實現(xiàn)高效率和小開關(guān)元件。
如果不提及卡上 V ,則對存儲卡電源的討論是不完整的Q-1用于閃存卡和固態(tài)磁盤驅(qū)動器的生成。雖然大多數(shù)便攜式主機系統(tǒng)可以提供足夠的電壓Q-1為卡連接器上的 12V 引腳供電,12V 是 PCMCIA 規(guī)范中的可選電平。為了與一系列主機系統(tǒng)兼容,您可能需要從 V 添加卡上轉(zhuǎn)換抄送至 12V。
12V轉(zhuǎn)換器的設計目標與3.3V至5V轉(zhuǎn)換器的設計目標相似:低成本、小元件和低浪涌電流。效率不那么重要,因為VQ-1編程器在低占空比下工作,其中 VQ-1電流遇到間歇性負載,僅在編程和擦除操作期間發(fā)生。您可以將電荷泵用于低電流應用,將升壓拓撲開關(guān)用于高功率水平。
圖5b顯示了一個12V升壓穩(wěn)壓器,該穩(wěn)壓器采用脈沖跳躍PFM控制方案,可實現(xiàn)高負載電流。電路是自舉的,這意味著IC的輸出電壓提供電源電壓。其結(jié)果是內(nèi)部n溝道功率MOSFET的柵極驅(qū)動電壓水平較高,從而提供了低導通電阻和高效率。
圖5.這種基于PFET的線性穩(wěn)壓器(a)接近其理論效率,因為它具有低靜態(tài)電流且無基極電流。用于閃存的 12V 升壓穩(wěn)壓器 (b) 采用脈沖跳躍 PFM 控制方案。
PCMCIA卡電壓范圍很寬
雖然PCMCIA卡通常需要兩個電源,但PCMCIA格式應用的多樣性打開了卡上的潛在電壓轉(zhuǎn)換范圍。例如,在RF發(fā)射器輸出級采用GaAs FET的無線PCMCIA卡需要-4.1V的低噪聲負偏置電壓。電壓施加到砷化鎵FET功率晶體管的柵極,以偏置器件以實現(xiàn)線性操作。直流電源必須是低噪聲的,因為柵極的擾動會調(diào)制RF信號并產(chǎn)生雜散邊帶。
您可以通過使用未穩(wěn)壓的自由運行電荷泵反相主機電源來完成電壓轉(zhuǎn)換至-4.1V。通過使用pnp線性穩(wěn)壓器進行后置調(diào)節(jié)來濾除開關(guān)噪聲(圖6a)。自由運行的波形會產(chǎn)生比穩(wěn)壓電荷泵更高的靜態(tài)電流,但噪聲仍保持在固定頻率,您可以輕松濾除。該 IC 內(nèi)置線性穩(wěn)壓器,在 -5.4V 時產(chǎn)生 1mA 電流,噪聲和紋波僅為 1mV。
產(chǎn)生3.3V至5V之間的電源電壓是一項挑戰(zhàn),通常需要反激式轉(zhuǎn)換器或SEPIC。采用 5V 和 3V 主機工作的要求排除了降壓和升壓轉(zhuǎn)換器。在高 V 下在電壓、升壓穩(wěn)壓器跟隨輸入并提供過壓,在低 V 時在,升壓穩(wěn)壓器壓降并允許輸出驟降。反激式和SEPIC電路工作,但高V電壓外-to-V在比率產(chǎn)生高水平的峰值電流,需要大型變壓器或電感器。
升壓穩(wěn)壓器提供串聯(lián)輔助源-電感連接,避免了反激式和SEPIC拓撲的缺點。缺點是當V在高,拉起V外通過串聯(lián)電感整流器連接,這可能導致V處的過電壓外.PFM升壓/降壓電路(圖6b)填補了賬單。該電路為升壓穩(wěn)壓器,其內(nèi)部pnp有源整流器在高輸入電壓下成為偽線性穩(wěn)壓器。該特性提供升壓/降壓動作和完全關(guān)斷 (V外= 0V)。該電路還通過將整流二極管引入IC來節(jié)省空間。
圖6.自由運行的電荷泵電路(a)會產(chǎn)生負電壓,以偏置無線PCMCIA卡中的GaAs FET。升壓/降壓轉(zhuǎn)換器 (b) 產(chǎn)生 3V 至 5V 的中間電壓。
隔離電源是PCMCIA卡上可能發(fā)生的另一種配置。醫(yī)療、儀器儀表和 LAN 接口卡使用隔離電源。對于小型隔離電源,最佳的開關(guān)穩(wěn)壓器拓撲是反激式和直流變壓器類型。反激式穩(wěn)壓器類似于升壓穩(wěn)壓器;圖7中的示例是一個直流變壓器。該電路通過將直流電轉(zhuǎn)換為交流電并將其施加到中心抽頭變壓器的初級端,將能量穿過柵極。由于變壓器以正向而不是反激模式工作,因此其磁芯不儲存能量,因此可能很小。
圖7.隔離電源需要變壓器將輸出電壓與輸入電壓隔離。該穩(wěn)壓器將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓,以正向驅(qū)動直流變壓器。
在研究了各種電源設計之后,這些小型卡內(nèi)電源的首選應該是線性穩(wěn)壓器,然后是電荷泵,然后是基于電感的開關(guān)穩(wěn)壓器。升壓和降壓拓撲是基于電感的電路中最好的。如果可能的話,避免使用反激式穩(wěn)壓器,因為它們的變壓器儲存能量,因此具有大磁芯。如果必須隔離,請使用直流變壓器。
為了獲得最佳輕負載效率,請選擇脈沖跳躍PFM控制架構(gòu)而不是PWM類型。一個例外是低噪聲模擬電路的設計,它要求您避免敏感頻段的頻譜污染。不要低估減少浪涌電流的重要性。這個問題一直困擾著設計師。
最后,請留意用于薄型電源的新組件和技術(shù)。本文中討論的元件和IC很少在一年前存在。市場壓力應確保IC和元件制造商繼續(xù)開發(fā)PCMCIA應用的產(chǎn)品。
審核編輯:郭婷
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