更高的性能和更长的电池寿命是相互矛盾的，这给便携式和无线设备的设计师带来了越来越大的挑战。价格下降和小型化的需求往往会增加挑战，迫使解决方案妥协。幸运的是，通过提供新的架构和更好的性能，新电源的引入不断地减少了这种权衡。

电源设计中最重要的参数是成本、效率(电池寿命)、输出纹波和噪声以及静态电流。表1说明了五种电源架构和五种V(IN)/V(OUT)范围组合下这些参数之间的权衡。为了引起对这些体系结构的优点和缺点的注意，下面的讨论还指出了该表中的一些令人惊讶的结果。

低差(LDO)线性稳压器

LDO的最低成本，最低噪声和最低静态电流使其成为许多应用的可靠选择。它的外部元件是最小的:通常是一个或两个旁路电容器。最新的ldo提供了显着改进的性能，尽管当然不是所有这些都可以在同一器件中使用:30 μ Vrms输出噪声，60dB PSRR, 6 μ A静态电流和100mV压降。

当V(IN)远大于V(OUT)时，效率很低，但当V(IN)接近V(OUT)时，效率变得很高。在这种情况下，LDO的好处几乎是无法超越的。事实上，许多将锂离子电池电压转换为3V的电路都使用LDO，尽管在放电结束时必须丢弃10%或更多的电池容量。尽管存在这种折衷，用于该应用的LDO电路在低噪声架构中提供了最长的电池寿命。

电荷泵

基本的充电泵成本低，只需要几个外部电容器，效率通常约为95%。然而，恒定的开关动作会产生输出噪声和高静态电流。另一个问题是，电荷泵输出只产生输入电压的精确倍数。例如，使用四个内部开关和一个外部飞行电容器，这些倍数被限制为+2x， +1/2x和-1x。加倍电路使其他倍数可用，以降低输出功率或更大的费用和静态电流为代价。基本充电泵很少直接连接到电池上。相反，它们通常从现有的调节器中产生二次电压。

充电泵加LDO

电荷泵加LDO结构避免了精确电压倍增的问题。它也降低了输出噪声，但以牺牲效率为代价。这种效率损失可大可小，取决于输入和输出电压的相对大小。以双芯镍氢电池转换为3V输出的效率为例，计算如下:

在这个表达式中，电荷泵效率不是一个因素，因为任何低于100%的效率都会导致电荷泵输出下降，从而降低LDO的输入电压，从而提高LDO的效率。

电荷泵调节器

通过采用脉冲频率调制(PFM)或脉冲宽度调制(PWM)，新的电荷泵调节器无需LDO。与电荷泵/LDO方法相比，调节电荷泵在PFM模式下成本更低，静态电流更小，但效率相同，输出噪声更大。一些实现通过根据需要更改乘法因子来提高效率。

例如，从双芯碱性电池转换为5V时，电池新鲜时使用+2x乘法，当电池电压低于2.5V时自动切换为+3x。在降压/升压应用中，另一个电荷泵可能从降压+1x开始，然后切换到升压+2x。这种复杂的调节电荷泵在半导体工业中仍然相对罕见。

直流-直流转换器

DC-DC转换器有降压、升压、降压/升压和反相拓扑，提供高效率、高输出电流和中低静态电流。另一方面，它们会产生输出纹波和开关噪声。由于它们更复杂的控制方案和需要外部电感器，它们也更昂贵。

近年来，对亚微米芯片制造的推动在几个方面降低了成本惩罚。首先，mosfet的导通电阻较低，在许多应用中，通过实现更高的输出功率，消除了对外部fet的需求。例如，现在有可能使用3.6V输入和片上NFET的升压转换器在5V时产生2A的输出。其次，用于低至中等功率应用的小模具尺寸允许使用小而廉价的封装。第三，更快的开关频率(高达1MHz)降低了外部电容器和电感的成本和物理尺寸。最后，更好的控制方案增加了有价值的功能，如软启动能力，限流和可选的PWM或PFM操作。

DC-DC降压变换器

在几乎所有V(In)大于V(OUT)的应用中，DC-DC降压变换器比LDO更有效。当V(IN)远大于V(OUT)时尤其如此，例如，将单个锂离子电池的输出转换为1.8V时。DC-DC降压变换器表现出一些输出纹波和开关噪声，但这些伪像不像其他DC-DC拓扑那样严重。控制方案的一个显著进步是实现占空比高达100%，使电路能够实现低差性能。

带LDO的DC-DC降压变换器

将DC-DC降压变换器与LDO相结合，在优先考虑高效率和低噪声的应用中非常有用。但是，这种安排仅适用于V(IN)大大大于V(OUT)的情况。如果最小V(IN)接近V(OUT)，单独的LDO应该提供类似的效率和更低的差，通常会以更低的成本获得相同或更好的电池寿命。

DC-DC升压变换器

DC-DC升压转换器最重要的特点是LDO不能执行相同的功能。最接近的竞争对手是调节电荷泵，其效率较低，输出功率也较低。另一方面，升压变换器具有众所周知的高输出纹波和开关噪声。它们还需要更好的控制方案，以消除输出中的振荡，并减少由于MOSFET开关和外部元件中的寄生电阻而导致的效率损失。

DC-DC升压转换器加上LDO

将DC-DC升压转换器与LDO相结合有两个优点:它实现了低噪声升压功能(与没有LDO的噪声升压器相比，效率略有降低)，并且它以惊人的高效率执行降压/升压功能。典型的降压/升压应用将一个锂离子电池的输出转换为3.3V。效率非常高，因为电池的大部分寿命接近3.6V，允许升压器空闲并为LDO提供接近理想的输入电压。该系统还提供了更高的效率与更小的外部元件比传统的SEPIC转换器。由于这种安排的有利特性，有几种单芯片实现可用于DC-DC升压转换器加LDO架构。

DC-DC降压/升压h桥变换器

由于具有提供最高降压/升压效率的潜力，DC-DC h桥变换器值得进一步开发。它只需要一个电感，但h桥电路需要两个功率场效应管开关和两个整流器。这是DC-DC降压或升压转换器的两倍。到目前为止，这些额外的组件及其相关的控制电路使价格居高不下。此外，额外的开关损耗限制了效率低于升压+ ldo架构。然而，进一步的技术发展可能会提高性能，这种体系结构可能会变得更加流行。

本文的另一个版本发表于电子产品杂志。