比较三种基本电源架构的权衡

许多使用小容量电池运行的系统需要高效的开关 DC/DC 转换器来延长电池充电之间的工作寿命。然而，其中许多系统还需要低压差线性稳压器 (LDO) 的低噪声来为敏感的模拟电路(如传感器、无线电或数据转换器)供电。极其有限的印刷电路板 (PCB) 空间使智能手表、健身追踪器、耳塞以及其他消费类和医疗可穿戴设备的电源设计更加复杂。

效率、输出噪声和尺寸的权衡需要针对每个特定系统的优化解决方案。本文比较了三种基本电源架构，即仅 DC/DC、仅 LDO 和 DC/DC 后接 LDO，并牢记它们对特定应用的适用性。

系统架构

许多便携式设备使用单节可充电锂电池供电，电压范围约为 3 V 至 4.2 V。许多一次性医疗设备使用一次(不可充电)化学电池供电，例如纽扣电池和 AA 或 AAA碱性。在许多情况下，电源还必须通过 USB 端口运行，该端口提供 5 V 及以上的电压。电源采用此输入电压并将其降低至系统负载所需的各种电压，例如 1.2 V。降压(降压)DC/DC 转换器或 LDO 可降低电压。

典型的 DC/DC 转换器比典型的 LDO 效率更高，但 DC/DC 的噪声比 LDO 高。这两个转换器通常组合在一起，LDO 位于 DC/DC 之后，以降低输出噪声，同时仍保持良好的效率。但是，这需要更大的PCB空间和更高的两个器件成本。

图 1显示了 DC/DC 加 LDO 架构的示例。DC/DC 将输入电压降至 1.4 V，而 LDO 将 1.4 V 降至负载所需的 1.2 V。LDO 的 BIAS 引脚允许非常低的 200mV 压差电压，从而提高了整体效率，同时仍提供良好的噪声抑制。

图：1：DC/DC-plus-LDO 架构的框图。

或者，您可以移除 LDO，DC/DC 可以直接输出 1.2 V。这是仅 DC/DC 电路。或者，您可以从图 1 中移除 DC/DC，并让 LDO 直接将输入电压降至 1.2 V。这是 LDO 专用电路。这三种配置各有优缺点。1

效率 电源的效率决定了电池在需要充电或更换之前可以使用多长时间。由于此运行时间是大多数便携式系统的关键特性，因此需要尽可能高的效率。这有利于仅 DC/DC 架构;但是，某些 DC/DC 的输出噪声对于某些负载来说太高了。在这些情况下，在 DC/DC 之后添加 LDO 可提供比仅 LDO 架构更高的效率，但比仅 DC/DC 架构略低的效率。DC/DC 加 LDO 架构更适合负载要求最低噪声的高性能系统。图 2比较了三种架构在 3V 输入电压和 1.2V 输出电压下的效率。

图 2：三种电源架构的效率比较。

德州仪器 (TI) TPS7A10 LDO 设计用于跟随 DC/DC 以产生低输出电压，并且仅限于低于 3.3 V 的输入电压。如果您需要使用纯 LDO 架构支持更高的输入电压，TI 的 TPS7A05 是支持高达 5.5 V的低静态电流 (I Q ) 选择。2随着输入电压的增加，仅 DC/DC 和 DC/DC 加 LDO 架构的效率略有下降。仅 LDO 架构的效率随输入电压线性下降，因为任何 LDO 的效率近似为

正因为如此，当输入电压和输出电压之间的差异很小时，仅 LDO 架构很受欢迎。例如，使用 LDO 将 3.6V 电池电压降至 3V 输出电压的效率为 83%。

在非常轻的负载下，大约低于 10 µA，电源的 I Q 决定了效率。TPS7A10 LDO 的 I Q 约为 6 µA，而 TPS62801 DC/DC 仅提供 2.3 µA 的I Q。使用诸如 TPS7A05 LDO (1-µA I Q ) 和 TPS62743 DC/DC (0.360-µA I Q ) 之类的器件，可以实现更低的 I Q 以及在非常轻的负载下相应的更高效率。或者，通过降低 TPS62807 中的开关频率，可以在更高负载下实现更高效率。通过器件选择，一个参数(例如效率)最大化，同时权衡其他参数，例如尺寸、成本和最大输出电流。

输出噪声

测量任何电源的输出噪声的方法有很多种，所以我只举两个例子：用示波器在时域测量输出纹波，用频谱分析仪在频域测量输出噪声密度。

图 3 显示了 DC/DC 加 LDO 架构在 3.6V 输入电压和 1mA 负载电流下的输出纹波测量。DC/DC 在省电模式下工作以实现最高效率，但工作频率较低，纹波较高。3

LDO 的电源抑制比 (PSRR) 可以轻松抑制较低频率，从而消除任何纹波痕迹。在足够高的频率下具有足够低的纹波对于为无线电设备(例如低功耗蓝牙)供电至关重要，而不会影响其灵敏度。

图 3：DC/DC 加 LDO 架构的输出电压纹波。

图 4 显示了所有三种电源架构在 3V 输入电压和 10mA 负载电流下测得的输出电压噪声密度。输出噪声在一个频带(通常为 10 Hz 至 100 kHz)上进行积分，然后求和以产生以微伏 RMS (µV RMS ) 为单位的总均方根 (RMS) 噪声值。正如预期的那样，即使在 DC/DC 之后使用 LDO，它的总噪声也最低。DC/DC 和 DC/DC-plus-LDO 曲线中的峰值代表 DC/DC 的开关频率及其谐波。LDO 明显降低了这种开关噪声的幅度。

图 4：三种电源架构的输出噪声密度比较。

解决方案尺寸

对于任何开关 DC/DC 转换器，开关频率与解决方案尺寸和效率成反比。较高的开关频率允许使用更小和更低高度的电感器和电容器，同时由于开关损耗增加而降低效率。为小型便携式应用设计的现代 DC/DC 转换器使用创新技术来实现非常小的尺寸和高效率。

TPS62801 DC/DC 和 TPS7A10 LDO 采用 4MHz 开关频率和晶圆芯片级封装 (WCSP)，可实现 8.5 mm 2的微型解决方案总尺寸。每个器件的引脚排列和 PCB 布局都经过优化，以便在两个器件之间共享电容器(图 5中的 C1 和 C2)。高 DC/DC 开关频率支持使用最小的无源元件运行：0201 (0603) 电容器和 0402 (1005) 片式电感器。图 5是实际 PCB 布局的放大图，它使用 250-µm 的元件到元件间距。

图 5：DC/DC-plus-LDO 架构的实际解决方案尺寸。

仅 DC/DC 架构的组件仅占用 5.5 mm 2，而仅 LDO 架构将占用约 4 mm 2。虽然所有可穿戴应用都需要较小的解决方案尺寸，但有些应用需要尽可能小的尺寸。许多医疗传感器贴片(和其他体内应用，例如)需要最低输出噪声和最小尺寸的仅 LDO 架构。添加一个 DC/DC 来提高效率根本不适合。

结论

设计一个小型电池供电系统需要在效率、输出噪声和尺寸之间进行权衡。比耳塞或医疗贴片稍大的智能手表和健身追踪器使用带有 DC/DC 的电源架构以实现最高效率。但即使是那些系统也有某些轨道，例如传感器和数据转换器，需要最低噪声的 LDO。表 1总结了本文中讨论的权衡取舍，基于参考 1 中的示例设计。

表 1：三种架构的效率、输出噪声和尺寸比较。

在 DC/DC 和 LDO 的广泛类别中，德州仪器 (Texas Instruments) 提供了多种器件来针对不同应用优化这三个关键优先级。即使世界上有各种各样的系统，也可能存在适合每种设计的电源架构。

审核编辑：汤梓红