正確選擇電源的集成電路(IC)表面上看似易如反掌。然而，隨著需要多電源電壓軌的消費類電子產品的推出，這項工作變得愈發復雜。當選擇實際工作中所需的IC時，必須考慮成本、解決方案的外形尺寸、電源、占空比以及所需的輸出功率等諸多因素。另外，必須根據重要性和相應選擇的電源，對這些因素進行排序。在本文中，我們將確定圖1所示電源的最佳解決方案。

示例應用中采用的是便攜式電源，同時要求最大程度地降低功耗以及減小封裝尺寸、并由一塊單體鋰離子電池供電(12V供電電源對其進行不間斷充電)。我們想最大限度的降低成本，但是，這種成本的降低只能以犧牲空間的方式為代價，而空間是最重要的要求條件。其次，就是最大限度的提高效率來延長電池的使用壽命。

選擇最佳的拓撲結構

首先，我們要檢查各電源軌的功率要求，以確定應采用何種DC/DC轉換器(如感應式轉換開關、線性調節器或充電泵)。

通常情況下，感應式轉換開關是獲取最高效率的最佳選擇。而感應式轉換開關電路需要一個轉換組件、一個整流器、一個電感器以及若干輸入和輸出電容器。在很多應用中，可通過選用IC轉換組件和整流器均可實現器件的高度集成以此來縮小解決方案的尺寸。而且，上述電路的效率通常介于80%至96%之間，具體數值要視負載情況而定。由于電感器的尺寸所致，因此開關轉換器通常需要更大的空間，而且其價格一般也比較昂貴。另外，由于轉換的存在，開關轉換器也會從電感器和輸出端的噪聲中產生電磁干擾(EMI)輻射。

低壓降線性調節器(LDO)通過降低旁路組件兩端的輸入電壓來降低直流電壓。這種拓撲結構的優點在于只需配置三種部件(旁路組件、輸入/輸出電容器)。 通常來說，LDO比較便宜，而且產生的噪聲比感應式轉換開關低得多。由于該器件的輸入電流和負載電流相同，因此采用該解決方案的效率等同于輸出/輸入電壓的比值。然而，該方案的不足之處就是當輸入/輸出電壓的比值較大時，則其效率較低。而且，所有的功率都被旁路組件消耗掉了，這也就是說，對于輸入/輸出差額懸殊的大電流應用而言，LDO并非是上佳之選。因為在大功率的應用中，需要配置散熱裝置，所以這將增大解決方案的尺寸。

充電泵通過采用“快速”電容器(作為存儲組件)來提高/降低直流電壓或改變其極性，同時采用內部開關來連接電容器，使其能夠進行所需的DC/DC轉換。一般而言，充電泵要比感應式轉換開關的成本低，而且不會產生電磁干擾。但是，充電泵的輸出紋波通常比感應式轉換開關大，充電泵在輸出功率方面也受到限制。同時，其瞬態響應受到快速電容器充電速率的限制。另外，在輸入電壓和輸出電壓相當的應用中，充電泵的效率通常相當低。于是，為了進一步減小解決方案的尺寸，有許多多輸出IC可供選擇。這些IC通常包括集成的MOS場效應晶體管(MOSFET)，同時至少要求配置有外部組件。而且，單就這些IC而言，其成本或許更為昂貴。但是，通過減少生產過程中必須安裝到位的外部組件數量所獲得的收益，往往會抵消前期付出的高昂成本。

采用何種拓撲結構呢?

在如圖1所示的實際應用中，由于空間的限制，所以LDO將成為我們的首選。然而，由于功耗和效率的限制，實際情況并非總是如此。就拿5V、2A的電源軌來說吧，顯而易見，需要選用一個開關轉換器。在這種情況下，一個LDO的功耗為14W，功耗顯然過高。然而，對這種電源軌而言，感應式降壓轉換器將是最佳選擇。

接下來，我們將對電池充電器進行分析。該電池通過5V的電源軌完成充電。我們采用的是充電電壓為4.2V的單體鋰離子電池。但是，由于實際應用中空間的局限性，因此，線性充電器將是一個不錯的選擇。因為只有當12V電源適配器正常工作時，電池充電器才能起作用，因此，其對充電效率的考慮并不多。然而，當所選擇的電池峰值充電電流深度放電后，電壓降至3V時，必須引起足夠的重視，并限制電池充電器的散熱。

·對于1.5V 的電源軌來說，選用開關降壓轉換器和LDO都行得通。但是，如果選用后者，效率將維持在25%左右的范圍，而且需要100mA的輸入電流。如果替換為降壓轉換器，效率將超過90%，而且需要的輸入電流僅為30mA。另外，有許多外形非常小巧的開關轉換器解決方案，而這些解決方案能夠提供所需的輸出功率。因此，LDO電路的大小是不可估量的。為了最大程度的延長電池的使用壽命，降壓轉換器當屬理想之選。

·對于2.5V的電源軌而言，上述兩種拓撲結構都可以發揮作用。由于需要的電流小、輸入/輸出差值較低，所以LDO堪稱最小封裝器件的上佳選擇。

·對于1.25V的電源軌而言，開關轉換器為最佳之選。由于所要求的負載高(300mA)、輸入/輸出差值大，所以LDO的功耗將非常大，而且效率極低。

·對于1.65V的電源軌而言，上述兩種拓撲結構都行之有效。通過采用與1.5V電源軌相同的邏輯分析方法，我們得出了這樣一個結論—選用開關轉換器。但是，之后探討的其他因素表明，應選用LDO。

對于圖1底部的3.3V電源軌而言，由于要求輸出電流大，因此，選用開關轉換器當屬上佳之選。

為實際工作需要選擇最佳的IC

考慮到組件尺寸和成本方面的局限性，所選用IC的集成度應盡可能高。為此，所選用的全部IC都集成了MOSFET，這樣，不僅降低了解決方案的尺寸而且還降低了生產成本。此外，除了減少材料清單以外，由于組件數量的減少，同時也降低了安裝各電路板的成本，從而進一步降低了整個解決方案的成本。另外，還有多輸出IC可供選擇，這種IC能更進一步的減小我們解決方案的尺寸。

如果再次從5V的電源軌開始分析電路的有關情況，則對于5V電源軌而言，最佳的解決方案為TPS5431。因為其寬輸入范圍(5.5V至23V)，所以能夠滿足12V±10%的輸入電壓變化。而且，當將輸出電壓調低至1.2V時，TPS5431還能輸出高達3A的電流。由于開關MOSFET和補償組件集成在一起，因此95%的效率能夠滿足電池供電的要求。該器件采用SO-8封裝，從而實現了非常小型的解決方案尺寸。

接下來，我們將分析電池充電器，其有數種解決方案可供選擇。例如，小尺寸電池充電器IC bq24010就是一種不錯的選擇，其采用3×3mm QFN封裝。該解決方案的尺寸相當小，只需三個外部組件。但是，對于我們的應用而言，還有一款更佳的解決方案—TPS65010，該解決方案是一款針對鋰離子供電系統的電源和電池管理IC。由于TPS65010集成了兩個開關轉換器(VMAIN和VCORE)、兩個LDO(LDO1和 LDO2)以及一個單體鋰離子電池充電器，所以其非常適合我們的應用要求。除了上述電源軌之外，當12V電源適配器接通時，此時，IC無需開關電路。在我們的應用示例中，VMAIN為3.3V的電源軌供電、VCORE為1.25V的電源軌供電、LDO1為1.65V的電源軌供電、而LDO2為2.5V的電源軌供電。此外，使用TPS65010可以大幅縮小解決方案的尺寸并降低外部組件的數量。

最后一條1.5V電源軌可由降壓轉換器(如TPS62201)提供電源。TPS62201采用6引線SOT-23封裝，而且它只需三個外部組件(一個輸入和輸出電容器、一個電感器以及兩個反饋電阻器)。這就實現了解決方案尺寸的小型化。但是，為了提高效率，這種器件的輸入端應連接至 TPS65010 器件3.3V的MAIN輸出端。

最終的解決方案

根據以前分析，我們可以找到最終的解決方案，如圖2所示。

如果不具備 I2C 接口，我們將何以應對?

在應用過程中如果不具備I2C接口，那么我們就無法使用TPS65010。在這種情況下，TPS75003將被派上用場。TPS75003包含兩個3A DC/DC降壓開關轉換器以及一個300mA LDO。這種器件的輸出大小可根據實際需要進行調節，其集成了三條電流最大的電源軌。1.25V和3.3V電源軌將由開關轉換器供電，而由于較低的電流要求，因此1.65V的電源軌將由LDO供電。剩下的2.5V電源軌由一條小型的LDO電路輕松供電。TPS71525采用SC-70封裝，其外形尺寸極為小巧，非常適用于陶瓷輸出電容器。

一款尺寸較大而不太昂貴的解決方案就是采用TPS76925為1.65V的電源軌供電。然而，TPS76925控制電路需要在輸出端配置一只最小值的等效串聯電阻，以實現電路運行的穩定性，因此，這將可能與電路尺寸方面的限制發生沖突。

系統效率差異的計算

對于本次探討分析，我們事先假定所有的電壓軌自始至終都處于工作狀態，而實際工作中情況卻很少如此。通常在采用感應式轉換開關的情況下，為了最大程度的減小解決方案的尺寸，LDO或許是一個不錯的選擇。而且，通過計算各拓撲結構之間的效率差異，就能夠確定該選用何種解決方案。

通過輸出端啟用的時間百分比(占空比)，我們就能夠確定每條電源軌對解決方案整體效率的影響。首先，通過累加各電源軌的有效功率，可求出輸出總有效功率：

例如，如果我們前面確定的3.3V、420mA電源軌應由開關轉換器供電，且其啟用時間僅占運行時間的10%，那么采用LDO替代該轉換器，整體效率的下降幅度將不會超過0.75%。具體情況請參閱表1。

如果3.3V輸出端一直處于開啟狀態，那么采用LDO替代該感應式轉換器將使整體效率下降近4%。顯然，這是兩種極端情況，但是它們表明了占空比是如何影響整體效率的。當輸出占空比增大時，我們必須核實解決方案尺寸與效率之間的計算比值，以確定最佳的解決方案。

結論

在許多不同的、且適用于DC/DC轉換的選項中選擇一款滿足自身需要的器件，將是一件棘手的工作。必須考慮到諸如可用空間、有效輸入功率、輸出功率、占空比以及成本等要求，以便于選用最佳的解決方案。首先，我們可以重要程度為標準，將上述條件進行排序，然后根據這些條件，為各種不同輸出情況選擇最佳的拓撲結構。最后，我們可以為各種不同輸出選擇最經濟劃算的解決方案。只要遵循這些簡單易行的方法，就會使電源的設計工作毫無困難可言。