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剖析可攜式電源管理電路的工作原理及 IC 介紹 宋自恆 品佳股份有限公司 第三代智慧型(3G)手機來勢洶洶,業者無不卯足全力開發新的功能結合到 手機上 ,諸如音樂撥放機(MP3)、數位相機、全球定位系統(GPS)、電視系統、 廣播系統、圖像簡訊、視訊電話、信用卡功能…..等,當功能愈多時,對電源需 求的質與量就相對愈高。然而手機在市場上又逐漸發展成消耗性產品,取代性相 當高,產品生命週期短。若不在最短的時間內開發最符合消費者需要的產品,則 獲利必然被壓縮。因此工程師必須熟悉各種電源管理 IC 之優缺點與使用方式, 才能在最短的時間內創造最大的利潤。本文將針對各種電源管理 IC 的動作原理 作深入淺出的介紹,並說明各大廠商所主推之離散式及整合式電源系統。 發展背景 可攜式產品的電源一般是以鋰電池和鎳氫電池為主 其特性如表一 表一、鋰電池和鎳氫電池的特性比較表 工作電壓 單位體積 蓄電量 單位重量 蓄電量 額定工作電壓 鋰電池 4.2V~2.7V 270~300 L Wh 110~130 Kg Wh 3.6V 鎳氫電池 1.25V~1.55V 220~300 L Wh 75~100 Kg Wh 1.5V 由表一可知,就單位體積或單位重量之蓄電量而言,鋰電池優於鎳氫電池,因此 鋰電池便成為可攜式電源產品 IC 的最佳選擇 而行動電話的功耗大部分來自輸出電壓為 1.1V~3.3V 之間的電壓,若由鎳 氫電池的低電壓轉至高電壓,則效率較差。一般是以鋰電池的 3.3V 以上之電壓 轉至 3.3V 以下之低電壓,效率較佳。因此當選擇鋰電池之後,欲設計的轉換器 大宗仍以降壓式轉換器為主。而降壓式轉換器常用的電路架構有三種,各為低壓 降壓轉換器(LDO)、電荷幫浦(Charge pump)、降壓轉換器(Buck converter)。此外 欲圖設計上的方便,想在同一個電路上得到升壓或降壓的作用,可選擇單端初級

剖析可攜式電源管理電路的工作原理及IC 介紹€¦ ·  · 2005-08-02降壓式轉換器 (Buck converter) 的動作原理及特點

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  • IC

    (3G)

    (MP3)(GPS)..

    IC IC

    4.2V~2.7V 270~300

    LWh 110~130

    KgWh 3.6V

    1.25V~1.55V 220~300

    LWh 75~100

    KgWh 1.5V

    IC

    1.1V~3.3V 3.3V 3.3V

    (LDO)(Charge pump)(Buck converter)

  • (Single-ended Primary Inductor ConverterSEPIC) (Low-DropoutLDO)

    VI >VoVI VoVdrop out = VI - VoVoP

    = I VdropoutVdropoutI

    (LDO)

    25%

    IC LM317 LM337 Texas Instrument TPS6

    ControlCircuit

    OV1R

    2R

    rV

    dsR

    LR

    _

    +

    _+ dropoutV

    IV

    +

    _

    1. 2. VI =Vout 85%VI >Vout 3. EMI (Audio)(Radio) 4. 5.

    110xTPS6112xTPS6113x Linear TechnologyLT1963LTC1705LT1764National Semiconductor LP398X MAXIMMAX886X/887X/888X( Texas Instrument www.ti.com Linear Technology www.linear.comNational Semiconductor www.national.comMAXIMwww.maxim-ic.com)

    (Charge pump)

    http://www.ti.com/http://www.linear.com/http://www.national.com/http://www.maxim-ic.com/

  • (Charge pump)(Switched

    capac

    (Charge pump) IC

    (b) D1

    D2 C1 Vc1 Vc1 = (Vcc - Vd)

    (2) C1 Vc1

    (c) D1 D2

    C2

    itor converter) (Charge pump) IC IC C1,C2(a) NE555 4009UB D1,D2 C1,C2

    1C

    2C

    CCV

    CLK

    OV_

    +

    (1)

    Vd I

    C1 C2 -(Vcc-2Vd)

    C1

  • CCV

    1C

    2C1D

    2D

    OV_

    +

    (a)(Charge pump)

    (b)(CLK)

    (c)(CLK)

    MAXIM

    SW7, SW5 (ON)(OFF)C1,C2

    1C

    2C1D

    2D

    CCV OV_

    +

    + _

    I

    1CV

    1C

    2C1D

    2D

    OV_

    +

    I

    + _1CV

    IC MAX619 IC (1)SW1, SW3

    VI

  • (2)SW2, SW4, SW6 (OFF)

    5V20mA 3V 5V, 50mA:

    3)VIVoIout(LDO)

    VIC1,C2 C4 VoVI 3

    rV

    1R

    2R

    SWITCHCONTROL

    IV

    2C

    1C

    SW1

    SW2

    SW3

    SW4

    SW5

    SW6

    SW7

    OV

    3C

    4C

    +

    _

    +

    _

    MAXIM IC MAX619 MAX619 1.8V ~3.6V

    Power loss = Iout [(2 3)VI-Vo] (2

  • (Charge pump) 1.(C pump) . LDO

    arge pump) IC Texas Instrument C1682LTC1516/17 MAXIM

    /1912/1916 ON semiconductor NCP5603 ( IM

    (Buck converter) (a)

    (1) VL = VI - Vo(b)

    DT 0

  • 90%

    (a) (a)

    (b)

    Driver

    LR

    IV

    L

    C OV

    +

    _

    +

    _

    + _LV

    1Q

    2Q

    L

    LI

    t

    t

    OVIV_

    OV_

    V

    D T (1 D )T_

    (b)

  • 1. MOS FET .

    . EMI (Lay out)

    Vout/ VI )

    rter) IC Texas Instrument LT1576 MAXIM

    Texas MAXIM )

    Q VL1,meanVL2,mean 0

    I - VL1,mean- VL2,mean = VI T

    23.45.(6.

    (Buck conveTPS43000TPS40021Linear Technology LTC3404LTC3713 MAX1970MAX5073 (InstrumentLinear Technology

    SEPIC (Single-ended Primary Industry Converter)

    CL1VIL2C VC,mean = V

    Q D Q L1

    DTVI = (1-D) T (Vout +Vd+Vc,mean-VI) = (1-D) T (Vout+Vd)

    IV

    VdVout + =D1

    D

    1>D>0.5 IV

    VdVout + 0.5>D>0

    IVVdVout + < 1SEPIC

    4.2V~2.7V 3.3V 10%VI 2.7VSEPIC

    3.3V

    D

  • SEPIC

    (Charge pump)

    (SEPIC) IC Texas Instrument TPS6 MAXIM

    (

    LDO BUCK SEPIC

    1. 2.3. EMI 4. 5.6.

    113XUCC39421Linear Technology LT1512LT1513LTC1871 MAX668MAX669 ( Texas InstrumentLinear Technology MAXIM )

    [6] ) 600mAh 3.3V~2.7V

    LDO

    V battery = 4.2 ~ 3.6V 78% 93% 86%

    10%(600mAh 10%) 60 60 60mAh mAh mAh

    1C 2C

    1D

    OV

    _

    +

    IV

    +

    _

    1L

    2L

    C

    + _CV

    PWM Q

  • 46.8mAh 55.8mAh 51.6mAh

    V battery =3.6 ~ 3.3V 91% 96% 86%

    80%(600mAh 80%) 480mAh 480mAh 480mAh

    436.8mAh 460.8mAh 412.8mAh

    V battery =3.3 ~ 2.7V 0 0 86%

    10%(600mAh 10%) 60mAh 60mAh 60mAh

    0 0 51.6 mAh

    483.6mAh 516.6mAh 516mAh

    80.6% 86.1% 86%

  • ( [6] )

    (VCO)(PLL) LDO DSP

    PowerManagement

    System

    Baseband(DSP,ARM,Memory)

    RFUp & Down

    PLL&

    VCO

    TCXO

    W-LEDBacklightLEDs

    VibratorMotor

    ColorLCD

    DSC ImageSensor(CCD)

    DSC Motor

    AudioSpeaker

    MC

    2.5V

    5V

    3.3V

    15V

    -7.5V

    5V~3.3V

    1.5~1.1V

    2.5V~3.3V

    2.8V

    2.8V

    2.8V

    ConstantCurrent

    2.8V

    4.2~2.5V

    RA

    LNA

    Texas Instrument TP65010, TPS5100, TPS61130 MAXIM MAX1586A/B, MAX8621

    IC DC DC IC

  • [1] www.maxim-ic.com/an669 [2] www.maxim-ic.com/an737 [3] www.maxim-ic.com/an1051 [4] Ned Mohan, Tore M. Undeland, and William P. Robbins, Power

    electronics :converters, applications, and design, Wiley, New York, 667pp, 1989. [5] Pressman, Abraham I., Switching power supply design, McGraw-Hill, New

    York, 926pp, 1991 [6] Jeff Falin, Texas Instrument,

    2004 6 [7] Landa Pham, Texas Instrument,

    2004 6 [8] IC 2001 [9]

    1994