各种电源特性，选择原则(含有电荷泵)

 电源是电子产品中一个组成部分，为了使电路性能稳定，往往还需要稳定电源。便
携式电子产品采用电池供电，如何使稳压电源部分性能满足电路的要求、耗电省（能延
长电池的寿命）、安全性好、占空间小、重量轻是设计便携式电子产品中一个重要任务
。
　　近年来，各种便携式电子产品发展迅猛，特别是手持式计算机、移动通信装置、视
频或音频产品、照相机、医疗仪器及测试仪器等发展更为神速，因此各半导体器件厂纷
纷开发出各种适合便携式电子产品要求的新型电源IC，并给出各种典型应用电路，使电
源设计工作变得较为简单，即电源设计工作是根据产品的要求来选择合适的电源IC。为
了合理地选择电源IC，首先要了解各种电源IC及其特点。
　　电源的分类及特点
　　根据不同的工作原理可将电源分成三类：线性稳压电源、开关稳压电源及电荷泵电
源。它们各自都有一定的特点及适用范围，这里分别作一简介。
　　线性稳压电源
　　线性稳压电源是因其内部调整管工作在线性范围而得名。一般认为线性稳压电源的
输入电压与输出电压之间的电压差（一般称为压差）大，调整管上的损耗大，效率低。
但近年来开发出各种低压差（LDO）的新型线性稳压器IC，一般可达到达输出100mA电流
时，其压差在100mV左右的水平（甚至于到70-80mv的水平），某些小电流的低压差线性
稳压器其压差仅几十毫伏。这样，调整管的损耗较小，效率也有较大的提高，因此可延
长电池的寿命。另外，线性稳压电源外围元件最少、输出噪声最小、静态电流最小，价
格也便宜。
　　开关稳压电源
　　在便携式电子产品中，开关稳压电源主要指DC/DC变换器。由于器件中有一个工作在
开关状态的晶体管（一般是MOSFET），故称为开关电源。开关管工作于饱和导通及截止
两种状态，所以开关管管耗小并且与输入电压大小无关，效率较高（一般可达80～95%）
。
----DC/DC变换器IC可以组成升压式（Vout>Vin）、降压式（Vout----大多数便携式电子
产品的工作电流在300mA以下，所以很少用到降压式DC/DC变换器。降压式主要用于工作
电流大于1A以上的场合，如笔记本式计算机等。
　　电压反转式DC/DC变换器的特点是可以获得负电压，并且可获得大于输入电压的负压
，即|-VOUT| >VIN。用电压反转器IC组成的负电压可输出较大的电流。便携式电子产品
中采用电荷泵电路来获得负压更为简单，并且有带线性稳压输出的电荷泵IC，所以在便
携式产品中电压反转式DC/DC变换器也很少用。
　　电荷泵电源
　　关于电荷泵电源已在本刊2000年1期《电荷泵电压反转器满足便携式电子产品电源的
需要》一文中介绍了，这里不再重复。
　　便携式电源IC的特点
　　便携式电源IC种类繁多，它们的共同特点有：
　　工作电压低
　　一般便携式的工作电压为3.0～3.6V。有一些工作电压更低，如2.0、2.5、2.7V等；
也有一些工作电压为5V，还有少数12V或28V的特殊用途的电压源。
工作电流不大
　　便携式电子产品范围极宽，从几毫安到几安都有，但大致可分为5类，如表1所示。

　　由于大多数便携式电子产品的工作电流小于300mA，所以30～300mA的电源IC在品种
及数量上占较大的比例。
　　封装尺寸小
　　近年来发展的便携式产品都采用贴片式器件，电源IC也不例外，主要有SO封装、SO
T-23封装，μMAX封装及封装尺寸最小的SC-70及最新的SMD封装等，使电源占的空间越来
越小。
完善的保护措施
　　新型电源IC有完善的保护措施，这包括：输出过流限制、过热保护、短路保护及电
池极性接反保护，使电源工作安全可靠，不易损坏。
　　耗电小及关闭电源功能
　　新型电源IC的静态电流都较小，一般为几十μA到几百μA。个别微功耗的线性稳压
器其静态电流仅1.1μA。另外，不少电源IC有关闭电源控制端功能（用电平来控制），
在关闭电源状态时IC自身耗电在1μA左右。由于它可使一部分电路不工作，可大大节省
电能。例如，在无线通信设备上，在发送状态时可关闭接收电路；在未接收到信号时可
关闭显示电路等。
有电源工作状态信号输出
　　不少便携式电子产品中有单片机，在电源因过热或电池低电压而使输出电压下降一
定百分数时，电源IC有一个电源工作状态信号输给单片机，使单片机复位。利用这个信
号也可以做成电源工作状态指示（当电池低电压时，有LED显示）。
　　输出电压精度高
　　一般的输出电压精度为±2～4%之间，有不少新型电源IC的精度可达±0.5～±1%；
并且输出电压温度系数较小，一般为±0.3～±0.5mV/℃，而有一些可达到±0.1mV/℃的
水平。线性调整率一般为0.05%～0.1%/V，有的可达0.01%/V；负载调整率一般为0.3～0
.5%/mA，有的可达0.01%/mA。
　　新型组合式电源IC
　　升压式DC/DC变换器的效率高但纹波及噪声电压较大，低压差线性稳压器效率低但噪
声最小，这两者结合组成的双输出电源IC可较好地解决效率及噪声的问题。例如，数字
电路部分采用升压式DC/DC变换器电源而对噪声敏感的电路采用LDO电源。这种电源IC有
MAX710/711，MAX1705/1706等。另一种例子是电荷泵+LDO组成，输出稳压的电荷泵电源
IC，例如MAX868，它可输出0～-2VIN可调的稳定电压，并可提供30mA电流；MAX1673稳压
型电荷泵电源IC输出与VIN相同的负压，输出电流可达125mA。
　　电源IC选择指南
　　选择电源IC不仅仅要考虑满足电路性能的要求及可靠性，还要考虑它的体积、重量
、延长电池寿命及成本等问题。这里给出一些选择基本原则，供参考。
优先考虑升压式DC/DC变换器
　　采用升压式DC/DC变换器不仅效率高并且可减少电池数（减小整个电源体积及重量）
。例如MAX1674/1675高效率、低功耗升压式DC/DC变换器IC，其静态电流仅16μA，在输
出200mA时效率可达94%，在关闭电源时耗电仅0.1μA，并可选择电流限制来降低纹波电
压。
采用LDO的最佳条件
　　当要求输出电压中纹波、噪声特别小的场合，输入输出电压差不大，输出电流不大
于100mA时采用微功耗、低压差（LDO）线性稳压器是最合适的。例如，采用3节镍镉、镍
氢电池或采用1节锂离子电池，输出3.0～3.3V电压，工作电流小于100mA时，电池寿命较
长，并且有较高的效率。例如采用超微功耗线性稳压器BAW03A～06A，其静态电流仅1.1
μA，输出电压有3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、4.0、4.2、4.3、4.5、5.0、5.8、6.0V，
可供用户选择，输出电流30mA～50mA。MAX8867/8868输出噪声为30μVrms。而另一种低
功耗、低压差LDO器件GMT7250，其静态电流180μA，输出100mA时压差小于85mV。该器件
温度稳定性好，典型值为31ppm/℃，并且有电源工作状态信号输出及关闭电源控制。该
器件有固定电压输出：3.3V、4.85V、5.0V三种，并且可外接两电阻来设定输出电压，输
出电压范围为1.2～9.75V，输出电流可达250mA，适合大多数
　　便携式产品应用。
　　需负电源时尽量采用电荷泵
　　便携式仪器中往往需要负电源，由于所需电流不大，采用电荷泵IC组成电压反转电
路最为简单，若要求噪声小或要求输出稳压时，可采用带LDO线性稳压器的电荷泵IC。例
如，MAX1680/1681，输出电流可达125mA，采用1MHz开关频率，仅需外接两个1μF小电容
，输出阻抗3.5Ω，有关闭电源控制（关闭时耗电仅1μA），并可组成倍压电路。另一种
带稳压输出的电荷泵IC MAX868，它输出可调（0～-2×VIN），外接两个0.1μF电容，消
耗35μA电源电流，可输出30mA稳压的电流，有关闭电源控制功能（关闭时耗电仅0.1μ
A），小尺寸μMAX封装。
不要追求高精度、功能全的最新器件
　　电源IC的精度一般为±2%～±4%，精度高的可达±0.5%～±1%，要根据电路的要求
选择合适的精度，这样可降低生产成本。功能较全的器件价格较高，所以无需关闭电源
功能的或产品中无微处理器（μP）或微控制器（μC）的则无需选择带关闭电源功能或
输出电源工作状态信号的器件，这样不仅可降低成本，并且尺寸更小。
　　不要“大马拉小车”
　　电源IC最主要的三个参数是，输入电压VIN、输出电压Vo及最大输出电流Iomax。根
据产品的工作电流来选择：较合适的是工作电流最大值为电源IC最大输出电流Iomax的7
0～90%。例如最大输出电流Iomax为1A的升压式DC/DC变换器IC可用于工作电流700～900
mA的场合，而工作于20～30mA时，其效率则较低。如果产品有轻负载或重负载时，最好
选择PFM/PWM自动转换升压式DC/DC变换器，这不仅在轻负载时采用PFM方式耗电较小，正
常负载时为PWM方式，而且效率也高。这种电源IC有TC120、MAX1205/1706等。
　　输出电流大时应采用降压式DC/DC变换器
　　便携式电子产品大部分工作电流在300mA以下，并且大部分采用5#镍镉、镍氢电池，
若采用1～2节电池，升压到3.3V或5V并要求输出500mA以上电流时，电池寿命不长或两次
充电间隔时间太短，使用不便。这时采用降压式DC/DC变换器，其效率与升压式差不多，
但电池的寿命或充电间隔时间要长得多。

　　DC/DC变换器中L、C、D的选择
　　电感L、输出电容C及续流二极管或隔离二极管D的选择十分重要。电感L要满足在开
关电流峰值时不饱和（开关峰值电流要大于输出电流3～4倍），并且要选择合适的磁芯
以满足开关频率的要求及选择直流电阻小的以减少损耗。电容应选择等效串联电阻小的
电解电容（LOW ESR），这可降低输出纹波电压，采用三洋公司的有机半导体铝固体电解
电容（一般为几十～几百毫欧）有较好效果。二极管必须采用肖特基二极管，并且要以
满足大于峰值电流为要求。