电源管理集成电路

引言
随着业界对最终产品系统的小型化和更加纤巧体积的持续进展，以及为系统集成电路中融入越来越多的功能所做的努力，人们迫切需要可使用更少外部元件和以更快的响应时间处理负载波动的电源集成电路。为了满足电源集成电路的这种需求，现在瑞萨科技公司已开发出一种新型DC-DC转换器技术。
本文将介绍瑞萨科技的这种新技术和快速响应技术。同时介绍各种电源集成电路的演变。

用于数码相机的宽频带DC-DC转换器技术
为了满足数码相机进一步小型化和更加纤巧体积的需要，瑞萨科技开发出了一种可以使相位补偿电阻器和电容器集成在集成电路内的新技术，这是通过加大DC-DC转换器集成电路的带宽实现的。
图1显示了一个传统的DC-DC转换器的方框图（a）及其波德图（b）。

图1 传统的DC-DC转换器方框图和波德图
电感器（L）和电容器（C）是二级延迟元件，它们在高频条件下可将相位延迟180度。
放大器和反馈电路也是延迟元件，而在高频条件下为整个系统引入270度或更大的相位延迟。这样就难以获取足够的相位裕度并使DC-DC转换器稳定的工作。
在传统设计中，放大器频率特性可因带宽的减少而下降。fT与fp1更加接近，以保证足够的相位边缘和稳定性（这种技术被称为相位补偿）。
虽然相位补偿可以稳定DC-DC转换器的运行，但是由于频带变窄了，响应特性就会随之下降。
还有一些问题，例如构成相位补偿电路需要比较多的电阻器和电容器。
因此，在目前的数码相机电源设计中，相位补偿电路的稳定可以尽可能地使频率特性加宽，以避免上述问题的出现。
然而，由于相位边缘的减小，以及取决于应用条件的不当操作等问题的发生，将会减小振荡边缘。这是系统电源设计困难的原因之一。
如果将电阻器和电容器强行集成在集成电路中，而没有进行仔细的斟酌，元件值的变化将很可能导致fT的波动，这将会影响电源的稳定性。因此，将这些元件集成在集成电路上是很困难的。
在瑞萨科技开发的新技术中增加了反馈电路2，而去掉了用于传统设计的反馈电路1（见图2）。

图2 宽频带反馈放大器方框图
反馈电路2有一个高通滤波器结构，利用它可以增加频率的反馈量。
因为事先穿过电感器和电容器的信号被反馈回来，这个信号不会受到电感器和电容器相位延迟的影响。因此，即使增加频率特性也可以保证足够的相位裕度，因此有可能在一个宽频带条件下实现电源的稳定性。
图3显示了采用新技术的DC-DC转换器的频率特性。

图3 采用新技术的DC-DC转换器的TBC频率特性
当fT约为180kHz时，相位裕度约为28度。
这样，我们就能够证实，与传统技术相比，这种新技术在带宽方面提高了五倍，而且可以保证足够的相位裕度效果。
这个结果表明，采用这种新技术可以将相位补偿电阻器和电容器集成在集成电路上，可比传统技术减少60%的外部元件数目，节省大约40%的安装面积。
进而，增加频宽可改善负载波动的输出电压响应特性，并有可能以比传统技术更小的电压波动实现电源系统。
图4显示了采用新技术的DC-DC转换器的瞬态响应特性。当负载电流从50mA到550mA变化时，这一新技术可将输出电压波动频带保持在44mV的低值上。

图4 采用新技术的DC-DC转换器的瞬态响应特性
现在，瑞萨科技正在开发和使用这种新技术，R2A20010LG 8通道DC-DC转换器就是可用于数码相机的产品。

用于便携式设备的DC-DC转换器
瑞萨科技目前正在努力开发用于数码相机的多通道DC-DC转换器，以及用于便携式设备DC-DC转换器驱动系统集成电路的超小型负载点（POL）产品。
瑞萨科技已经发布集成了2个MOSFET的2通道DC-DC转换器，即可提供升压驱动功能的型号M62205FP，以及集成了5个MOSFET、可使用单节电池的7通道同步整流型DC-DC转换器M62299FP。
图5 显示了M62299FP的系统结构。

图5 M62299FP的系统结构
M62299FP可提供3个升压通道、3个降压通道和一个反向通道。它可提供以下一些主要功能：5通道内置MOSFET；利用单反向通道支持变压器更少的设计；一个高效的同步整流通道；低电压工作（最低1.5V）支持单个锂离子电池或两个镍氢电池运行；四个独立的序列控制。
系统的小型化和厚度的减少正在数码相机中出现，而目前外部元件和更高效率的整合迫切需要DC-DC转换器集成电路。
为了满足这些需求，目前正在开发的8通道R2A20010LG包括3个采用了新技术的快速响应通道，可以为DSP、存储器、系统集成电路和其他有巨大和迅速的负载波动的器件提供稳定的电压。R2A20010LG应用实例示于图6。
图6 R2A20010LG应用实例
R2A20101是驱动DSP的最理想选择，适用于需要高精度电压控制的各种类型的存储器进行更低电压的运行，也适用于为今天采用精细工艺制造的集成电路提供电源。

PFC控制集成电路
现在，瑞萨科技正在开发可满足全球谐波规范（包括国际规范、中国的强制性认证、EN61000-3-2和JIS C61000-3-2）的控制PFC集成电路。
图7显示了使用瑞萨科技的集成电路在功率因数方面得到的改进。
它显示了三分之一及更高级的谐波电流，这些规范的目标是使其降低到规定值以下。

图7 采用PFC抑制谐波电流
瑞萨科技提供的是一个完整的产品系列，它是从PFC+PWM结合的集成电路HA16141和HA16158的开发开始的，还包括集成了外设电路的HA16174高性能PFC集成电路，以及源于HA16174的简单功能PFC集成电路HA16178和其他产品。
瑞萨科技利用我们的快速响应能力和高效技术，正在不断开发最佳器件，以满足各种相关应用的功能和特性的需要。