物联网和移动设备的电压调节器

电源和电源管理系统在延长移动设备的电池寿命和性能方面起着至关重要的作用。作为这些系统的关键部分，电压调节器旨在将电源的输出电压维持在一个恒定值。在为移动或物联网设备选择电压调节器时，有许多点需要考虑。虽然这通常涉及噪声、热管理和调节偏差之间的权衡，但在这些点之间找到正确的平衡可以帮助确保您的下一款移动设备按预期运行。

期望的电压调节器功能

任何电压调节器都需要提供一些特定的功能。首先，调节器需要在电池和设备中不同子电路之间升压或降压。高压设备如OLEDs需要升压功能，而降压功能有助于减少数字CMOS电路消耗的功率。这提供了更长的电池寿命，并使得新增加的功能如额外的摄像头和触觉反馈不会对电池尺寸产生重大影响。

在移动设备中，噪声管理和电源隔离至关重要，以确保信号完整性。用于Gbps数据速率的RF调制方案对失真和干扰伪像提出了严格的要求。这要求对所有噪声源，尤其是电源的传导和辐射EMI进行仔细关注。

就电源隔离而言，一个好的电压调节器还应该防止电池输出电压的变化通过输出传播瞬态信号（如由脉冲RF功率放大器引入的），从而影响下游电路。最后，任何移动设备的电压调节器，无论是智能手机、可穿戴设备、物联网或其他设备，都必须具有小尺寸和低成本，同时还能延长电池寿命。

电压调节器拓扑

线性调节器：这些通常由参考电压发生器、误差放大器、功率晶体管、用于监控输出电压的电阻分压器和用于确保电源总线上电压稳定的去耦电容器组成。基于pnp和pFET晶体管的低压降(LDO)调节器在降压期间展现出不同的静态电流特性，这取决于晶体管的极性。pFET晶体管几乎不消耗电流，并且在降压期间不会出现静态电流上升，而nFETs在输入电压上升并接近输出电压时会出现静态电流的上升。

线性转换器的优点包括它们的低噪声和低纹波、中等尺寸以及它们的低复杂度和成本。缺点包括仅限降压操作，以及它们具有低到中等的效率，尽管这取决于负载电流、电池电压和散热。

线性调节器。图示来自Analog Devices的《LDO设计和应用基础》。

开关电容调节器：也称为电荷泵转换器，这些调节器使用电容器和若干开关来提供比输入电压高或低的输出电压。它们通过连接到数字开关的飞行电容器存储并传输输入到输出的能量。

电荷泵转换器的优点包括与其他电压调节器相比，具有高效率和低辐射电磁干扰。这是因为使用电容器存储和传输能量，使得能够使用软开关技术来控制数字开关。这些转换器不使用反馈来实现调节，而是依赖于切换周期占空比来补偿输出电压的变化。这些控制器通常限于低功率应用。

开关电容调节器电路图和输入/输出波形

开关调节器：这些调节器可以将输入电压升高（升压）或降低（降压）；它们还能够反转其极性。典型的升降压转换器由一个开关网络组成，该网络生成一个交流信号，一个低通滤波器将此信号的直流分量传递到输出，以及一个反馈网络通过改变交流信号的占空比或频率来调节输出电压。

开关调节器的输出电压特性在很大程度上取决于低通滤波器的质量，该滤波器实现为一个LC电路。输出电压纹波噪声和调节器效率在很大程度上取决于电感器的大小，其中较大的电感器由于其通过等效串联电阻的较大能量损失而减少纹波和电路效率。这些调节器电路浪费的热量较少，但它们通常比线性对应物更复杂、更大且成本更高。

在移动设备中结合线性和开关模式调节器以生成多个供电电压是一种常见技术。电源设计师需要考虑电源（电池）和负载的特性，以选择特定子电路的最佳电路解决方案。例如，随着移动设备处理器使用越来越精细的晶体管架构（10纳米或更小）制造，这降低了它们的供电电压和电流要求，调节器电路的静态电流成为负载电流的更大百分比，并对电路效率产生更大的影响。

移动产品的电压调节器

Maxim Integrated, MAX8863

MAX8863线性电压调节器提供更高的可靠供电电压（2.5 V至6.5 V），最高输出电流可达120 mA，采用微型5脚SOT23封装。该设备使用PMOS通道晶体管，使得80 µA的供电电流与负载无关。这些设备非常适合于需要使用多种信号标准操作的电池供电的便携设备，如手机或其他物联网设备。还可以使用外部电阻分压网络来调整输出电压：

这些设备具有双模式^™操作：它们的输出电压预设...或可以通过外部电阻分压器进行调整。其他特性包括低功耗关断、短路保护、热关断保护和反向电池保护。 [来自MAX8863数据手册]

MAX8864是MAX8863的一个变种，还包括自动放电功能。当设备处于关断模式时，此功能会主动将输出电压放电至地。

功能块图，来自Maxim Integrated

Maxim Integrated, MAX1576

每个人都喜欢自拍，许多人需要通过笔记本电脑进行视频会议。这些活动，以及大量使用LED的设备，需要一个能为这些特定组件提供稳定输出的电压调节器。 MAX1576开关电容调节器旨在为移动设备中的背光和相机闪光灯调节电压，最多可支持8个白色LED（24脚薄型QFN，4 mm x 4 mm封装）。四个LED可用于背光，每个最多驱动30 mA，而闪光灯组中剩余的四个LED可脉冲驱动至每个LED 100 mA：

MAX1576使用两个外部电阻来设置主要和闪光的全尺度（100%）LED电流。四个控制引脚用于通过串行控制或每组2位逻辑进行LED调光。ENM1和ENM2将主LED设置为全尺度的10%，30%或100%。ENF1和ENF2将闪光LED设置为20%，40%或100%的全尺度。此外，将任一对控制引脚连接在一起，用于单线串行脉冲调光控制。

引脚图和MAX1576开关电容调节器的示例电路（来自MAX1576数据手册）

Analog Devices, LT1738

LT1738开关调节器来自Analog Devices，是一款具有超低噪声的斜率控制直流/直流控制器。众所周知，由于PWM切换信号，开关调节器通常会相当嘈杂，但LT1738通过外部N沟道MOSFET开关使用控制的电压和电流斜率。与其他具有类似功率输出和占地面积的开关调节器相比，此设备发出的辐射噪声强度要小得多，使其成为新型移动设备和物联网(IoT)设备的绝佳选择。

电流和电压斜率可以独立设置，以优化切换波形的谐波内容与效率之间的平衡。LT1738可以在仅有微小效率损失的情况下，将高频谐波功率降低多达40 dB。LT1738采用针对单开关拓扑优化的电流模式架构...内部振荡器可以与外部时钟同步，以更准确地放置切换谐波。

LT1738开关调节器的方框图（来自LT1738数据手册）。

您的下一款移动或物联网设备需要节约并妥善管理电力，以延长其可用寿命。您可以通过为移动和物联网应用专门设计的正确电压调节器和其他组件来实现这一点。

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