利用DC-DC开关电容稳压器提升便携设备电源效率

手持式装置核心处理器的供电电压日益降低，但要兼顾效率与电池寿命，却是另一项挑战。在降压转换过程中最常利用的是开关稳压器和LDO稳压器，但缺点在于尺寸太大，LDO如电压偏离值很大时，转换效率就骤降，开关电容稳压器为新兴技术，结合开关电容器和LDO优点，可整合至可携式应用中。

设法降低核心处理器的供电电压是手持式装置的全新技术趋势之一，而在降压的同时，也必须兼顾以更高效率延长电池寿命的需求。目前这些装置裡有多种新功能都有降压转换需求，如应用处理器、记忆体和射频(RF)设计等，从负载和空间参数两项考量来看，目前在此类应用上最流行的解决方案，即採开关稳压器和低压降 (LDO)稳压器。

如只从效率考量，开关稳压器是最佳的选择，然当电子零件高度和解决方案的尺寸限制超出电感器使用範围时，转换器就可能改採LDO或开关电容(SC)稳压器形式，电源解决方案通常无法提供较多电路板空间，但开关稳压器可提供比LDO和开关电容稳压器更大的解决方案尺寸。

图1为将典型的开关稳压器与开关电容稳压器在解决方案尺寸上进行比较，可看出开关稳压器解决方案尺寸大约为45平方毫米，开关电容器为25平方毫米，开关稳压器大多需2.2μH电感，当以开关电容稳压器转换电力却不希望使用电感时，开关稳压器可能是小而有效率的替代品。

电压偏离导致LDO效率降低

LDO在要求的电压与电池电压相近时最有效率，但如电压偏离值很远时，LDO效率就会降的很低，例如以3.6伏特电压为一个仅要求1.5伏特电压的微处理器锂离子电池充电时，把电池电压与1.5伏特LDO连接起来，就能为微处理器产生一个完整、稳定和小量的电源，但耗电量却非常明显。

LDO消耗功率(PD)等于负载电流(ILOAD)与输入和输出电压的差相乘，即PD=ILOAD×(3.6～1.5)=ILOAD×2.3V。换句话说，此例中，如以LDO做降压转换器时，仅产生42%的效率，表示LDO消耗剩余功率，且大幅增加晶片(Die)温度，而此种温度上升将引发装置可靠性相关问题。

由于具电压增益能力，开关电容稳压器成为比线性稳压器更有效的解决方案，此电压增益透过在双相位，即充电相位和传输相位中的堆叠电容器和并行电容器所取得的输入电压与输出电压比率，如位于增益配置中的一个开关电容转换器的1/2将把一个3.6伏特的输入电压(VIN)转变为1.8伏特的输出电压 (VOUT);如要求的输出电压是1.5伏特，则功率消耗仅为300毫伏特与负载电流的乘积，相当于83%的效率。

开关电容器可保持给定负载效率

随着VIN的上升，由转换器产生的VIN和VOUT间的能量增加将引起功率耗损和效率下降。解决此问题所採取的模式为转变一个更高的效率增益，如同汽车替换档位一般。图2显示开关电容器降压稳压器、LDO及开关电容器的效率曲线。开关电容器类比设有一个类比增益控制和变化，以保持给定负载效率持续性，开关电容器具离散增益步骤，由VOUT/(增益×VIN)来给定效率，且这些效率取决于离散增益，一个LDO仅拥有一个增益及3者中最低的效率，开关电容器稳压器则有3个不同的电压增益，即2/3、1/2和1/3。

从SC稳压器随着VIN的增长可看出，电压增益变化从2/3～1/2及1/2～1/3，因此整个负载範围的效率达最大化，带来锂离子电池电压範围 3.4～3.8伏特上80%的功率，在相同应用中的LDO却仅达到50%效率，随电感器种类不同，典型的开关稳压器应具有88～90%效率。

传统上，稳压器乃依据有效数量进行比较，但由于锂离子电池特性，要根据时量效率或锂离子电池充分放电所需时间来判定，根据经验，运用200毫安培的负载电流，使用典型开关稳压器，可比使用开关电容稳压器持续时间多出6～8%，假设最大负载与微处理器中的情况一样，仅表现到时间的20～30%，则电感开关和开关电容稳压器间操作时间的差别可忽略。

须在效率与成本之间取捨

开关电容稳压器的更多增益可能会增加少许效率，但却须要增加更多外部电容器和内部场效电晶体(FET)，促使成本上升，同时也增加解决方案尺寸。上述增益可透过两个外部电容器或快速电容器(CFLY)取得，这些电容器用于储存电荷，并将电荷从VIN传输到VOUT，除快速电容，还需一个输入电容器 (CIN)及输出电容器(COUT)，输入电容器指示电压波纹，而输出电容器控制输出电压波纹，依VIN和VOUT可接受的波纹标準值，CIN和COUT 值的一般範围是从1～10微法，且CFLY的数量通常比COUT少，外部电容器透过内部的功率FET在不同的配置中连接到晶片。

图3显示2/3、1/2和1增益的不同配置。电容器C1和C2是快速电容器，CIN和COUT被删除以达减化目的，一个增益透过两个相位间的交替变化来取得，即充电相位、普通相位和放电相位，在不同增益间设有一个共同相位，以便在增益间达无缝，透过共同相位，可依需要随时进行无缝增益，一个开关稳压器在晶片上可能有1～2个功率FET，而根据离散电压增益的数量，一个开关电容稳压器可能在晶片任何位置上设有4～9个或更多的功率FET，即限制在给定晶片尺寸下，开关电容稳压器的输出电流性能(图4)。

为利用开关电容稳压器来调节输出电压，可考虑使用脉波频率调变(PFM)或脉波宽度调变(PWM)，开关电容稳压器的输出阻抗与开关频率和内部功率FET 的电阻成比例。透过调製输出阻抗，可再透过转换器对给定负载进行降压;使用回授，即能控制频率或内部FET阻抗，以调节输出电压，而PFM方案为较传统方法，以下将列出其缺点。

在PFM类系统中，输出电压如高于一个指定值，稳压器即进行关机控制，至输出电压降到所需值以下时再重新开机，使用PFM控制模式的优势是操作电压取决于 VIN和ILOAD，同时两者皆可调整。负载越高、操作频率就越接近指定频率，但此操作範围内的频率变化可能不适用某些可携式应用，输入电压波纹也取决于 VIN和ILOAD，图5显示250毫安培和30毫安培负载的输出波纹。10微法COUT的输出波纹将为50毫伏特，可看到250毫安培负载的波纹频率高于10毫安培负载的波纹频率。

PWM模式可固定操作频率/工作周期

最近的PWM调控模式处理PFM架构中的各种频率和高输出波纹时，多数开关电容稳压器皆採PWM调制模式，功率FET电阻根据VOUT和ILOAD进行控制，才确实控制快速电容器所提供的充电量，此被称为预调製。在此模式下，操作频率和工作周期皆固定，图6显示一个PWM架构输出波纹，其处于4.7微法 COUT的8～10毫伏特的顺序中，可看出在ILOAD变化的情况下波纹可持续，9毫伏特的波纹输出可与在电感开关稳压器中的波纹相同。

开关电容稳压器是新兴技术，结合开关电容器和LDO的优点，亦即将锂离子电池範围的效率和小尺寸的解决方案整合至可携式应用中，而最近拓朴技术也使用被动元件的更小值以达到更低杂讯，可携式装置中的许多功能都要求降压稳压器须具更小尺寸和更高效率，而开关电容器解决方案为理想选择。