DC-DC的開關(guān)型電源變換器在整個電子行業(yè)中正得到越來越多的應用。對于電路板空間和發(fā)熱管理都異常嚴格的便攜式應用來說，經(jīng)濟高效的電源變換器將起到特別關(guān)鍵的作用。如今，在決定是采用線性低壓降(LDO)穩(wěn)壓器、電感型開關(guān)模式DC-DC變換器還是電容電荷泵DC-DC變換器來完成電源轉(zhuǎn)換方面，便攜式應用的設(shè)計者要綜合考慮許多因素——總成本、效率、集成度、設(shè)計靈活性和封裝，并作出折衷選擇。
當今的許多便攜式應用采用單格鋰離子電池，在各種化學成分不同的可充電電池中，它的能量密度是最高的，可以實現(xiàn)的外形最小。從充滿到放空的過程中，電池電壓一般從4.2V降到2.7V，在放電周期大部分時間中單格電池的電壓約為3.7V。不可充電的單格或雙格式堿性電池也很流行。每個電池的電壓范圍是1.5V~0.9V。在許多應用中，需要提供種類不少的電源電壓，來滿足系統(tǒng)中各類器件的要求。處理器核常用的電源是1.1V，存儲器要用2.5V和3.3V的電源，Compact Flash或USB等擴展接口所用的電源為5V，而LCD偏壓或白光LED顯示背光電路要求28V的電源。由于折衷考慮各種因素時側(cè)重點不同，設(shè)計者們推出了多種不同的電源變換方式。圖1對各種DC-DC變換器結(jié)構(gòu)進行了一個簡要的總結(jié)。

圖1 各種電壓轉(zhuǎn)換方法的結(jié)構(gòu)

圖2  采用SOT-23封裝的電荷泵，用于驅(qū)動一個白光LED
現(xiàn)有的解決方案
LDO穩(wěn)壓器可適用于降壓變換，具體效果與I/O電壓比有關(guān)。從基本原理來說，LDO根據(jù)負載電阻的變化情況來調(diào)節(jié)自身的內(nèi)電阻，從而保證穩(wěn)壓輸出端的電壓不變。轉(zhuǎn)換效率可以簡單地看作輸出與輸入電壓之比。盡管在從3.7V電池電壓到3.3V存儲器電壓變換過程中，LDO的效率高達89％，但是在將同樣的電池輸出變換成1.1V處理器核電源時，效率只有29%。如今LDO以芯片級封裝等各種形式出現(xiàn)，所占面積僅為幾個平方毫米，而且在小型應用時只要求一個陶瓷輸入和輸出電容即可工作。由于采用線性調(diào)節(jié)原理，LDO本質(zhì)上沒有輸出紋波，一個理想的應用是對“強噪聲”的開關(guān)型穩(wěn)壓器輸出進行濾波，為聲頻放大器或RF電路供電。LDO的I/O電壓之間的差別擴大以及輸出電流增加時，LDO的發(fā)熱也按比例增大。功率損失可以近似由I/O電壓差乘以流過線性通路元件的電流得到。
電荷泵，也稱為開關(guān)電容式電壓變換器，是一種利用所謂的“快速”(flying)或“泵送”電容(而非電感或變壓器)來儲能的DC-DC變換器。它們能使輸入電壓升高或降低，也可以用于產(chǎn)生負電壓。其內(nèi)部的FET開關(guān)陣列以一定方式控制快速電容器的充電和放電，從而使輸入電壓以一定因數(shù)(0.5,2或3)倍增或降低，從而得到所需要的輸出電壓。這種特別的調(diào)制過程可以保證高達80％的效率，而且只需外接陶瓷電容。由于電路是開關(guān)工作的，電荷泵結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生一定的輸出紋波和EMI(電磁干擾)。一些電荷泵架構(gòu)采用了雙電荷泵形式，并增加一級輸出電壓調(diào)節(jié)，以減小EMI和紋波。電荷泵最大輸出電流只限于約300mA，主要受到集成的開關(guān)晶體管和外接“快速”電容的尺寸限制。電荷泵可以采用小外形的SOT-23或無引腳的QFN封裝，從而有助于節(jié)省電路板面積，為要求效率高于LDO器件、而空間不夠或成本預算不足以支持采用更高效的電感型DC-DC變換器應用，提供了一種解決方案。圖2示出了一個電荷泵實例，它用于驅(qū)動一個用作顯示器背光的白光LED。
電感型開關(guān)式DC-DC 變換器利用了磁場儲能，不論是升壓、降壓還是兩者同時進行，都可以實現(xiàn)最高的電源轉(zhuǎn)換效率。盡管它與線性或電荷泵式器件相比要求更大的電路板面積，但對于要求更大電流的應用來說卻十分理想。由于轉(zhuǎn)換效率很高，因此發(fā)熱很小，這也使得散熱處理得以簡化。特別是，與LDO器件相比時，它常常不需要附加一個占大量空間的、成本較高的散熱器。其高達97％的效率也提高了電池壽命。DC-DC 變換器也以DC-DC 控制器形式出現(xiàn)，它能夠保證設(shè)計有很大的靈活性，設(shè)計者可以選用有特定導通電阻的外接FET晶體管，并根據(jù)應用的需要調(diào)整電流限。這在需要數(shù)十安培電流的非便攜式設(shè)備中非常有用。先進封裝技術(shù)也使得開關(guān)晶體管能集成到器件中，使得開關(guān)式DC-DC變換所能提供的電流范圍從SOT－23形式封裝的100mA電流到芯片級TSSOP－28形式封裝的9A?？紤]到集成有FET的電感型開關(guān)模式DC-DC變換器的電流輸出能力和效率，它使用時只需外接一個電感和必不可少的輸入、輸出電容，故可以使整個解決方案的空間利用率大大提高。

圖 3  由單格堿性電池供電的升壓DC-DC變換和LDO組合模塊

圖4  單鋰離子電池應用中的DC-DC降壓變換器
圖3中的實例表明了如何結(jié)合線性調(diào)節(jié)方法來有效利用DC-DC 變換器。該升壓DC-DC變換器可以將來自一個堿性電池的1.5V~0.9V電壓輸入提升到3.3V的系統(tǒng)電源電壓。在同一芯片中集成的LDO電路隨后把該電壓向下變換為一個1.8V的處理器核電源電壓。兩種功能模塊都集成在4mm×4mm的QFN無引腳封裝中，從而只需很小的電路板面積。
圖4示出了能量效率高而占用空間小的DC-DC 降壓變換器的如何運用的實例。反極性DC-DC變換器對來自單格鋰離子電池的2.7V~4.2V的電壓輸入進行降壓變換，為1.2V的處理器核供電，其效率高達95％。電路使用了集成有若干開關(guān)FET的同步DC-DC降壓變換器，只用了3個外接元件，所占用的電路板面積僅比一個基于類似的LDO器件的電路大30％，而效率卻是其3倍，從而能大大提高電池壽命。
在設(shè)計中考慮便攜式裝置的電源時，開發(fā)者要在系統(tǒng)整體方案的成本、電路板面積和效率之間進行折衷。LDO穩(wěn)壓器和電荷泵器件為電流輸出要求較低的應用提供了體積小且價廉的解決方案，而DC-DC 開關(guān)型解決方案能保證高得多的電源轉(zhuǎn)換效率，如果延長電池壽命是頭等要求，則將是合理的選擇。