电源管理集成电路的复用设计

肖丽荣刘志刚

1.炬芯（珠海）科技有限公司电源技术架构部；2.珠海美蓓亚精密马达有限公司无刷马达事业部

电源管理集成电路的复用设计

肖丽荣1刘志刚2

1.炬芯（珠海）科技有限公司电源技术架构部；2.珠海美蓓亚精密马达有限公司无刷马达事业部

本设计实现了降压DC-DC电路和低压差线性稳压器LDO电路的电路复用，不但节省了SOC面积，还兼顾了低功耗和优性能，保证了方案的可靠性和稳定性。

概述

很多锂电池供电的便携设备都会将降压直流-直流转换（DC-DC）电路集成到片上系统（System-On-Chip，简称“SOC”）中，并使用降压DCDC电路来延长电池的续航时间。降压DC-DC电路的特点是电池的转换效率高，开关噪声大，其开关频率在几百KHz到几MHz。

集成有降压DC-DC电路的SOC所在的便携设备既支持音频和视频的播放，同时也支持收音机或射频（Radio Frequency，简称“RF”）等功能。实现播放音频或视频等功能的电路对高频噪声（如MHz级别或以上）的干扰并不太敏感，但是诸如实现收音机功能的电路对高频噪声的干扰就非常敏感了，甚至由于高频噪声的干扰会导致某些频段的电台无法被接收到。这些高频噪声干扰的一个主要来源是便携设备中电源管理电路中的降压DC-DC电路。

目前，为了解决实现收音机等功能的电路不受降压DC-DC高频噪声干扰的一个主要方法是便携设备中不使用降压DC-DC电路，而使用低压差线性稳压器（Low Dropout Regulator，简称“LDO”）电路，LDO电路的特点是转换效率低，无开关噪声。因此，使用LDO电路的便携设备就不会产生高频噪声，但是其缺点是电池的使用效率低，续航能力差。

本文的目的在于提供一种电源管理集成电路，使得在SOC中实现降压DC-DC电路和LDO电路的复用，在尽可能节省SOC面积的同时，兼顾低功耗和优性能。

基本电路及工作原理

该集成电路包含了：电源功率管Q1、电源功率管Q2、电源功率管Q3、电感L1、控制器C1、反馈电路F1以及使能信号1和使能信号2。使能信号1和使能信号2可由总线配置其有效性。在同一时间段，使能信号1和使能信号2择一有效。

当使能信号1有效时，上述电路按照降压DC-DC的方式进行工作。其工作原理可以简单分为三个阶段：第一阶段控制器C1控制电源功率管Q1导通、电源功率管Q2和Q3关断，这时VIN（输入电压）给电感L1充电，同时也给VOUT供电。第二阶段控制器C1控制电源功率管Q1关断、电源功率管Q2导通、电源功率管Q3关断，这时电感L1放电给VOUT（输出电压）以及VOUT上的负载。第三阶段控制器C1控制电源功率管Q1和Q2关断、电源功率管Q3导通，这个阶段发生的条件是电感电流为0时，为了防止电感电流震荡产生电磁干扰 （Electromagnetic Interference，简称“EMI”），所以将电源功率管Q1和Q2关断，并将Q3导通，即将电感L1中的多余能量通过Q3消耗掉。反馈电路F1对输出电压VOUT进行实时检测，当VOUT电压低于特定值时通知控制器C1，控制器C1通过输出信号CQ1、CQ2和CQ3来控制电源功率管Q1、Q2和Q3，从而保证DC-DC可正常稳定的工作。由于Q1、Q2和Q3反复开关给电感和输出端充放电，可以看到SW这个节点有周期性的开关波形，对应的电感电流也是周期性变化的，开关周期大约在几百KHz到几MHz。在DCDC工作方式下，输入端VIN的电能通过电感存起来再释放给输出VOUT，没有过多的能量损失，因此其电源利用效率很高，通常可以高达90%或以上的转换效率。

当使能信号2有效时，上述电路按照低压差线性稳压器LDO的方式工作。其工作原理为控制器C1控制电源功率管Q2处于完全断开状态，控制电源功率管Q3处于完全导通状态，以及控制电源功率管Q1工作在可变电阻区，反馈电路F1对输出电压VOUT进行实时检测，当VOUT电压略低于特定值时，控制器C1通过输出信号CQ1来减小Q1的导通电阻；当VOUT电压略高于固定值时，控制器C1通过输出信号CQ1来增大Q1的导通电阻，最终使输出VOUT稳定在固定的电压值上。由于Q2完全断开， Q3完全导通，且Q1工作在可变电阻区呈现逐渐变化阻抗的特性，因此SW这个节点没有周期性变化的开关波形，而是与VOUT基本相等的平滑的电压波形，因此LDO工作方式不会带来开关噪声。然而，由于Q1工作在可变电阻区，输入端VIN的电能会以电阻热耗的形式有部分浪费在Q1上，导致电源利用效率较低。比如锂电池3.8V的输入通过LDO方式生成1.8V的输出，那么效率只有47.3%。

图1　

在集成了上述电路的便携设备中，当播放音频及视频时，可以通过总线配置使使能信号1有效而使能信号2无效，此时该集成电路工作在DC-DC模式，保证了低功耗；当播放收音机和蓝牙通讯等RF应用时，通过总线配置使使能信号2有效而使能信号1无效，此时该集成电路工作在LDO模式，保证了优性能。

由于电路的组成器件等同于降压DC-DC电路的组成器件，并未额外增加用于实现LDO电路的器件，根据不同的使能信号，对各电源功率管进行相应的控制，实现不同使能信号所对应的电路。从而可以在不增加额外器件的情况下，在SOC中实现降压DC-DC电路和LDO电路的复用，不但节省了SOC面积，同时可以根据需要决定采用功耗更低的降压DC-DC电路，还是采用性能更好的LDO电路，兼顾了低功耗和优性能，保证了应用方案的可靠性和稳定性。

结语

该电源管理集成电路实现了降压DC-DC电路和低压差线性稳压器LDO电路的电路复用，不但节省了SOC面积，还兼顾了低功耗和优性能，保证了方案的可靠性和稳定性。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.052