这篇文章的类似版本出现在1994年10月13日的经济日报。

除了必须最小化噪声，实现高效率，并避免上电时的浪涌电流外，电源设计人员还必须遵守PCMCIA卡上组件的严格高度限制。PCMCIA卡的DC/DC转换器具有一系列产生一系列转换要求的应用。应用包括用于闪存器件的12V电源，用于电路的-5V电源，以及3.3 v到5v和5v到3.3 v的转换。其中一些应用是由于5v不耐受的DRAM芯片和3.3V pc卡标准的出现而出现的。

这些应用的潜在电源电路包括线性稳压器;电荷泵;降压，升压，反激和逆变开关模式调节器。调节器控制方案包括线性、自由运行、脉宽调制(PWM)和脉频调制(PFM)。相互冲突的设计要求包括低高度，小面积，低成本，高效率，低涌流，在某些情况下，低EMI发射。

3.3V到5V的转换是一个关键的DC/DC转换器应用，因为PCMCIA 3V/5V工作组准备发布3.3V pc卡标准，该标准计划于9月发布。该标准取代了版本2.1，并允许主机系统仅在3.3V下运行。它指定硬件密钥，防止在3.3V-only主机套接字中插入5V-only卡，反之亦然。为了与广泛的主机系统兼容，PC卡的v线应该接受来自主机的3.3V或5V。然而，许多卡不接受3.3V，需要升压DC/DC转换器来实现更高的电压。

在将3.3V升压到5V的电路中，有PWM升压稳压器、PFM升压稳压器和充电泵。电荷泵(图1一个)是最小和成本最低的选择。你可以制造低轮廓的电荷泵，因为泵没有电感器或变压器。然而，电荷泵在3.3V时的半负载效率仅为75%，比基于电感的开关稳压器产生的效率低10%至12%。

在工作中，电荷泵将外部电容器充电到不同的电压，然后将它们并联起来。由此产生的损耗导致电荷泵效率在很大程度上取决于输入输出电压的比值。当V(OUT)是V(IN)的偶数倍时，效率与输入电压的关系达到峰值(图1 b）. 在任何情况下，75%的效率与1型PCMCIA卡上的电感开关稳压器的效率相当，因为低配置电感固有的高直流电阻。与基于电感的电路不同，电荷泵的效率是恒定的，负载电流小至1mA。

图1所示 因为它们提供低成本和小尺寸，电荷泵(a)可能是3.3 v到5v转换器的好选择。电荷泵的效率与输入电压(b)的关系曲线在输入电压的偶数倍处达到峰值。

相对于电感电路，电荷泵中大量的大电流开关限制了它的输出电流能力。然而，开关让你获得更大的电流通过连接并联电荷泵。此外，电荷泵在启动时比大多数电感电路产生更小的浪涌电流，并且与电感升压电路不同，在关闭模式下输出电压降至零。充电泵还提供快速启动，这有助于系统在睡眠模式下实现快速内存访问。

高开关频率允许在电荷泵电路中使用小电容器。该电路包括一个可选的V(CC)旁路MOSFET，当V(CC)为5V时，可提高3V/5V系统的效率。最坏负载条件下的启动时间为500µs，相应的峰值浪涌电流为600mA。您可以通过使用PWM或其他门控时钟信号来进一步改善启动条件，在启动期间驱动芯片的关闭引脚一毫秒或两毫秒。

基于电感的稳压器是高效的

与其他稳压器拓扑结构相比，基于电感的升压稳压器提供了几个关键优势。首先，升压调节器简单而高效。电感和输入源的串联辅助连接比其他选项(如反激变换器和正激变换器)提供更低的峰值电感电流。低峰值电流允许小型电容器和电感，具有低I²损耗并提供高效率。低电阻提供了更好的效率，但通常需要更大和更昂贵的组件。

高涌流和不能关断电路抵消了基于电感的升压调节器的优点。您可以添加一个可选的具有缓慢开启特性的高侧开关来适应这些缺点。加强监管(图2)采用PFM控制回路，使用小型外部组件提供出色的轻负载效率。噪声和电磁干扰发射高于传统的PWM调节器。在V(IN) = 3.3V时，静态电源电流平均仅为50µA，并且相对较高的300kHz开关频率允许使用5µH或更低的低值电感。

图2 使用最大高度为1.2mm的组件，您可以设计超薄3.3 v至5v的PFM升压调节器。

PFM升压电路的另一个特点是其低调的封装，可容纳1型PCMCIA卡。除肖特基整流二极管外，所有元件均为超平面，最大高度为1.2mm。该二极管是摩托罗拉500mA的铬屏障型，采用SOD-123封装，最大高度为1.35毫米。对于1型卡，二极管是不够平坦的，除非你在卡盒中偏移PC板。调节器ic封装是一个最大高度为1.1mm的SOT-144。

其他组件包括pet开关，这是一种来自德州仪器的TSSOP低阈值器件(最大高度为1.1mm)，具有高CV产品的扁平共形涂层钽电容器(最大高度为Sprague 1.2mm)，以及来自Coiltronics的珠宝状平面铁铁体电感器(高度为1.19mm)。超薄电感的高直流电阻(约0.5微米)产生的效率比适用于ii型PCMCIA卡的高电感低5%。

一般来说，只有当卡包含射频接收器或其他带有开关调节器的敏感电路时，噪声和EMI才会成为问题。在这种情况下，使用固定频率的PWM升压调节器，如170kHz MAX751，其谐波不会干扰接收器的频带。另一种选择是使用PFM稳压器，它比PWM稳压器产生更宽的噪声频谱。因此，PFM调节器不会干扰大多数PC卡上的数字电路。脉冲跳频PFM调节器产生的随机频谱在任何一个频率上的噪声都较小。这一特性有助于FCC认证。

控制涌流

在设计pcmcia卡电源时，浪涌电流与电源电压上升时间是一个重要的权衡。对于许多系统来说，稳压器中的高峰值电流限制允许更快的上升时间，这反过来又允许系统在从深度睡眠或断电返回时更快地访问存储器。然而，高峰值电流在上电时产生高浪涌，因为调节器试图通过将大电流倾倒到输出电容中来纠正其反馈误差。

升压稳压器通过增加启动尖峰(通常为2A或更高的20µs脉冲)来加剧涌流问题，通过源、电感和整流器的串联连接对输出电容充电。当启动尖峰加入输入电容的涌流时，总电流很容易超过10A (图3）. 在许多小型系统中，电流尖峰会压倒旁路电容器。对于许多这样的系统，电流尖峰可能导致电源故障监视器，激活重置，以及在系统试图将V(CC)切换到卡后重新启动计算机。

图3 无高压侧开关的升压稳压器的输出电压(上波形为2V/div) (a)和输入电流(下波形为2A/div)。电路响应V(IN) = 3.3V, R(LOAD) = 25 microhms。水平刻度为100µs/div。带有缓慢高侧开关的升压调节器的输出电压(上波形为2V/div) (b)和输入电流(下波形为500mA/div)。水平刻度为500µs/div。

抑制涌流尖峰的最好方法是增加一个高侧开关(图4）. 该开关是一个逻辑级p沟道MOSFET，外加一个栅极电路中的RC网络以延迟导通。在栅极-漏极结处增加米勒电容进一步降低了fet的开关速度。要延迟启动200µs，控制IC的关机引脚。关断引脚允许旁路电容的输入浪涌电流在使能开关稳压器之前稳定下来。

图4 可以通过使用FET开关来抑制浪涌电流尖峰，该开关的导通特性被RC时间常数延迟。

高侧开关还解决了升压变换器在开关稳压器关断时输出电压不能完全关断的问题。相反，V(OUT)下降到等于V(IN)减去二极管降的电压。在挂起和待机模式期间，该电压水平可能无意中为PCMCIA卡供电。高位开关通过断开电源与电路的连接来阻挡不需要的电源。

软启动是另一种减少启动时浪涌电流的方法。软启动电路通常包括一个外部定时电容器，允许调节器的峰值电流限制逐渐上升。当与慢响应输入开关结合使用时，软启动功能为输出上升时间与输入浪涌电流之间的权衡提供了解决方案。

降压稳压器以容忍5V

当一个充满低压ic的卡必须容忍5V输入才能与5V主机兼容时，降压稳压器是很重要的。在降压设计中，权衡是选择使用线性稳压器还是开关稳压器。线性稳压器体积小，价格便宜，所需滤波电容的低值降低了浪涌电流。它们的缺点是效率低。如果忽略基极和静态电流，线性稳压器的效率理论上等于V(OUT)/V(IN)，或5v至3.3V转换器的66%。基于pet的电路(图5一个)接近理论效率，因为它没有pnp基极电流，其静态电流低至7µa。

在开关稳压器中，降压拓扑在降压应用中明显优于反激和单端初级电感变换器(SEPIC)。与升压稳压器类似，降压稳压器具有相对较低的峰值电感电流水平，从而实现高效率和小开关元件。

如果不提到闪存卡和固态磁盘驱动器的卡上V(P-P)生成，对存储卡电源的讨论就不完整。虽然大多数便携式主机系统可以为卡连接器上的12V引脚提供足够的V(P-P)电源，但在PCMCIA规范中，12V是可选的电平。为了与一系列主机系统兼容，您可能需要添加从V(CC)到12V的卡上转换。

12V转换器的设计目标与3.3 v至5v转换器的设计目标相似:低成本、小组件和低涌流。效率不太重要，因为V(P-P)编程器工作在一个低占空比，其中V(P-P)电流只在编程和擦除操作期间经历间歇性负载。您可以将电荷泵用于低电流应用，将升压拓扑开关用于高功率水平。

图5 b显示了一个12V升压调节器，采用脉冲跳频PFM控制方案，用于高水平的负载电流。电路是自启动的，这意味着集成电路的输出电压提供电源电压。其结果是为内部n沟道功率MOSFET提供高水平的栅极驱动电压，从而提供低导通电阻和高效率。

图5 这种基于pfet的线性调节器(a)接近其理论效率，因为它具有低静态电流和无基极电流。用于闪存的12V升压稳压器(b)采用脉冲跳变PFM控制方案。

pcmcia卡电压跨度大

虽然PCMCIA卡通常需要两个电源，但PCMCIA格式应用的多样性打开了卡上潜在电压转换的范围。例如，在RF发射器-输出级采用GaAs场效应管的无线PCMCIA卡需要-4.1V的低噪声负偏置电压。将电压施加到GaAs FET功率晶体管的栅极上，使器件偏置以进行线性操作。直流电源必须是低噪声的，因为栅极的扰动会调制射频信号并产生杂散的边带。

你可以完成电压转换到-4.1V通过逆变主机电源与一个无调节的自由运行电荷泵。通过pnp线性稳压器后调滤波开关噪声(图6）. 自由运行的波形比调节电荷泵产生更高的静态电流，但噪声保持在一个固定的频率，你可以很容易地过滤。该IC包含线性稳压器，在-4.1V时产生5mA，只有1mV的噪声和纹波。

产生3.3V和5V之间的电源电压是一个挑战，通常需要一个反激转换器或SEPIC。使用5V和3V主机的要求排除了降压和升压转换器。在高V(IN)电压下，升压稳压器跟随输入并提供过电压，在低V(IN)电压下，升压稳压器退出并允许输出凹陷。反激和SEPIC电路工作，但高V(OUT)到V(IN)比产生高水平的峰值电流，需要一个大的变压器或电感。

升压调节器提供串联辅助源电感连接，从而避免了反激和SEPIC拓扑结构的缺点。缺点是当V(in)高时，它通过串联电感整流器连接拉起V(OUT)，这可能导致V(OUT)过电压。PFM升压/降压电路(图6 b)符合要求。该电路是一个升压调节器，其内部pnp有源整流器在高电平输入电压下成为伪线性调节器。该功能提供升压/降压动作和完全关机(V(OUT) = 0V)。该电路还通过将整流二极管引入集成电路来节省空间。

图6 自由运行的电荷泵电路(A)可以产生负电压以偏置无线PCMCIA卡中的GaAs场效应管。升压/降压转换器(b)产生从3V到5V的中间电压。

隔离电源是PCMCIA卡上可能出现的另一种配置。医疗、仪器和局域网接口卡使用隔离电源。对于小型隔离电源，最好的开关稳压器拓扑是反激式和直流变压器样式。反激式监管机构与升压式监管机构类似;中的例子图7是直流变压器。该电路通过将直流电转换为交流电，并将其应用于中心抽头变压器的初级电源，从而使能量跨越障碍。因为变压器工作在正向而不是反激模式，它的铁芯不储存能量，因此可以很小。

图7 隔离式电源需要用变压器把输出电压和输入电压隔离开来。该稳压器将直流电压转换为交流电压，以正向驱动直流变压器。

在检查了各种电源设计后，这些小型卡上电源的首选应该是线性稳压器，然后是电荷泵，然后是基于电感的开关稳压器。升压和降压拓扑是基于电感的电路中最好的。如果可能的话，避免反激式调节器，因为它们的变压器储存能量，因此具有较大的铁芯。如果隔离是必须的，使用直流变压器。

为了获得最佳的轻负载效率，选择脉冲跳频PFM控制架构而不是PWM类型。一个例外是低噪声电路的设计，它要求您避免敏感频段的频谱污染。不要低估减少浪涌电流的重要性。这个问题一直困扰着设计师。

最后，请密切关注薄电源的新组件和新技术。本文中讨论的组件和ic在一年前很少存在。市场压力应确保IC和元件制造商继续开发PCMCIA应用的产品。