【導(dǎo)讀】“尺寸更小、成本更低、效率更高”是市場對(duì)新一代便攜式設(shè)備的要求，但設(shè)計(jì)工程師很難對(duì)這三種需求進(jìn)行獨(dú)立優(yōu)化。優(yōu)化解決方案必須依據(jù)整體系統(tǒng)需求，對(duì)尺寸、成本及工作效率等因素進(jìn)行綜合考慮。對(duì)設(shè)計(jì)工程師而言，電源拓?fù)涞倪x擇多種多樣，其中包括降壓轉(zhuǎn)換器、低壓降穩(wěn)壓器(LDO)、降壓/升壓轉(zhuǎn)換器等，但它們各有利弊，選用時(shí)應(yīng)進(jìn)行權(quán)衡。
本文將討論各種電源拓?fù)?，尤其是在將鋰離子電池電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓 電壓軌(大多數(shù)便攜式設(shè)備的電源電壓)時(shí)的利弊。本文還將說明降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的不同應(yīng)用，并解釋降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的解決方案需“量身定做”的原因。
從圖1可以看出，將鋰離子電池電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓軌的設(shè)計(jì)很有挑戰(zhàn)。在充滿電的情況下，典型的鋰離子電池放電曲線的起始電壓為4.2V。X軸起始點(diǎn)為“-5分鐘”，對(duì)應(yīng)的電壓為電池充滿電時(shí)的開路電壓。在“0分鐘”時(shí)，電池接入負(fù)載，由于內(nèi)部阻抗以及保護(hù)電路的作用，電壓開始下降。電池電壓緩慢降至約3.4V，然后電壓開始快速下降，原因是放電周期已接近終點(diǎn)。為充分利用電池儲(chǔ)存的電量，3.3V電壓軌需要在放電周期的大部分時(shí)間里使用步降轉(zhuǎn)換器，而在放電周期的剩余時(shí)間里使用升壓轉(zhuǎn)換器。
圖 1：1650mA-hr 18650 鋰離子電池放電曲線。
鋰離子電池電壓如何有效生成3.3V電壓軌的問題由來已久，其解決方案也是多種多樣。本文討論幾個(gè)常用解決方案，包括級(jí)聯(lián)降壓與升壓、降壓/升壓、降壓以及LDO電源拓?fù)涞?，并討論每種設(shè)計(jì)方案的利弊，以及系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的測量與對(duì)比。
級(jí)聯(lián)降壓與升壓轉(zhuǎn)換器解決方案
級(jí)聯(lián)降壓與升壓轉(zhuǎn)換器包含降壓轉(zhuǎn)換器和升壓轉(zhuǎn)換器兩個(gè)獨(dú)立且分離的轉(zhuǎn)換器。降壓轉(zhuǎn)換器將電壓穩(wěn)定在中電壓(如1.8V)，而升壓轉(zhuǎn)換器則將中電壓升高至3.3V。由于能夠100%地利用電池電量，所以該架構(gòu)非常適用于要求較低電壓軌的系統(tǒng)。但由于采用了兩段轉(zhuǎn)換機(jī)制，從效率的角度考慮，這并不是最佳解決方案。
有效的功率轉(zhuǎn)換效率是降壓穩(wěn)壓器效率與升壓穩(wěn)壓器效率之積。工作在上述電壓條件下，降壓與升壓轉(zhuǎn)換器的典型效率值均為90%，因此3.3V轉(zhuǎn)換器的有效功率轉(zhuǎn)換效率為90%×90%=81%。由于該架構(gòu)包含兩個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器，所以元件數(shù)量與系統(tǒng)體積均增加了，不但難以應(yīng)用在小型便攜式產(chǎn)品中，而且還增加了成本。
獨(dú)立的降壓轉(zhuǎn)換器解決方案
采用降壓轉(zhuǎn)換器也能使鋰離子電池電壓轉(zhuǎn)換成3.3V電壓，但該方案常常被忽略，并未得到廣泛應(yīng)用。設(shè)計(jì)工程師在觀察電池放電曲線(如圖1所示)后一般會(huì)放棄這個(gè)解決方案，這是因?yàn)閺碾姵赝耆烹娗€(如圖1所示)可看出，降壓穩(wěn)壓器無法生成3.3V電壓軌。當(dāng)降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓下降到接近輸出電壓時(shí)，很多降壓轉(zhuǎn)換器會(huì)進(jìn)入100%占空比模式。在此條件下，轉(zhuǎn)換器停止轉(zhuǎn)換，將輸入電壓直接進(jìn)行輸出。在100%占空比模式下，輸出電壓等于輸入電壓減去轉(zhuǎn)換器的壓降。該壓降由(MOSFET導(dǎo)通電阻、輸出電感的直流電阻及負(fù)載電流決定，這樣便設(shè)定了仍處于穩(wěn)壓范圍的最小電池電壓。假設(shè)系統(tǒng)認(rèn)為3.3V電壓軌下降5％仍處于穩(wěn)壓范圍，則用下面等式可計(jì)算出系統(tǒng)工作的最小電池電壓。
Vbattery_min=Vout_nom×0.95+(Rdson+RL)×Iout(1)
其中：Vout_nom為額定值3.3V，Rdson為功率MOSFET導(dǎo)通電阻，RL為輸出電感dc電阻，Iout為轉(zhuǎn)換器3.3V時(shí)的輸出電流。
當(dāng)電池電壓降至Vbattery_min時(shí)，系統(tǒng)在低于最小容限時(shí)必須關(guān)閉，以避免運(yùn)行在3.3V電壓軌上而損壞數(shù)據(jù)。即使電池仍剩余5～15％電能，系統(tǒng)也有可能關(guān)閉。系統(tǒng)關(guān)閉前還剩余多少電池電能多少取決于元件電阻、負(fù)載電流、電池的新舊以及環(huán)境溫度等多種因素。
大多數(shù)設(shè)計(jì)工程師會(huì)因?yàn)檫@個(gè)原因而放棄采用單獨(dú)的降壓拓?fù)?，但仔?xì)研究系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間就會(huì)發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)降壓/升壓、級(jí)聯(lián)降壓以及升壓拓?fù)涞霓D(zhuǎn)換效率比單獨(dú)的降壓轉(zhuǎn)換器的效率低得多。盡管這些拓?fù)淠艹浞掷秒姵仉娏?，但效率卻遠(yuǎn)低于降壓轉(zhuǎn)換器。很多情況下，單獨(dú)降壓轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行時(shí)間比其他兩種拓?fù)涠奸L。直到2005年，全集成降壓轉(zhuǎn)換器才被視為生成3.3V電壓軌的最佳選擇。
低壓降穩(wěn)壓器解決方案
另一種不常用的解決方案是LDO，與“單獨(dú)的降壓”方案類似，LDO無法完全利用全部電池電量，原因是只有當(dāng)輸入電壓大于輸出電壓與LDO壓降之和時(shí)，才能起到穩(wěn)壓作用。如果LDO的壓降為0.15V，則當(dāng)電池電壓低于3.3V+0.15V=3.45V時(shí)，3.3V輸出電壓開始下降。由于采用這個(gè)解決方案而無法充分利用的電池電能，有可能比單獨(dú)的壓降解決方案多得多。盡管有這樣的缺點(diǎn)，但LDO在一定的環(huán)境下也有優(yōu)勢。
通常情況下LDO解決方案的尺寸最小，因此當(dāng)主系統(tǒng)對(duì)空間有嚴(yán)格要求時(shí)，它是一種理想選擇。LDO解決方案的成本通常也是最低的，因此非常適用于低成本應(yīng)用。眾多設(shè)計(jì)工程師因LDO低效而放棄采用該方案，但是仔細(xì)研究后可以發(fā)現(xiàn)，該應(yīng)用中的效率還是不錯(cuò)的：
當(dāng)充滿電的鋰離子電池的起始電壓為4.2V時(shí)，LDO的初始效率為78％，且其效率隨電池電壓的降低而上升。
降壓/升壓轉(zhuǎn)換器方案
降壓/升壓拓?fù)涞膽?yīng)用非常廣泛。這種拓?fù)浣Y(jié)合了上述其他解決方案的所有優(yōu)點(diǎn)。顧名思義，該拓?fù)渫瑫r(shí)具有降壓、升壓兩種功能，因此可以100%利用電池電量。
降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的部署方式?jīng)Q定了其具有極高的轉(zhuǎn)換效率。例如，德州儀器(TI)全集成降壓/升壓轉(zhuǎn)換器TPS63000在從3.6V降至3.3V過程中，轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了95％左右。高轉(zhuǎn)換率意味著可以充分利用電池電量，從而實(shí)現(xiàn)最長運(yùn)行時(shí)間。與降壓解決方案的元件數(shù)量與體積相比，集成了功率開關(guān)、補(bǔ)償元件以及反饋電路的全集成降壓/升壓轉(zhuǎn)換器均不處于劣勢，而且外部組件僅需輸入電容、輸出電容和電感。高度集成的單芯片IC解決方案有助于降低系統(tǒng)總體成本。
降壓/升壓功率級(jí)如圖2所示，該拓?fù)溆蓭?個(gè)功率開關(guān)的降壓功率級(jí)和帶2個(gè)功率開關(guān)的升壓功率級(jí)組成，這兩個(gè)功率級(jí)通過功率電感器相連。這些開關(guān)可以在三種不同模式下工作：降壓/升壓模式、降壓模式以及升壓模式。特定的IC運(yùn)行模式具有特定的輸入輸出電壓比和IC控制拓?fù)洹?/div>
圖 2：降壓/升壓功率級(jí)由帶 2 個(gè)功率開關(guān)的降壓功率級(jí)和帶 2 個(gè)功率開關(guān)的升壓功率級(jí)組成。
降壓/升壓轉(zhuǎn)換器不盡相同
便攜式應(yīng)用對(duì)降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的需求由來已久，但對(duì)其尺寸與效率的要求通常非常嚴(yán)格。直到最近，半導(dǎo)體封裝技術(shù)才發(fā)展到可以將4個(gè)MOSFET開關(guān)及相應(yīng)的控制環(huán)路集成到小型封裝中。
盡管不同的降壓/升壓解決方案具有相同的功率級(jí)拓?fù)?，但控制電路相差很大?，F(xiàn)有3款標(biāo)準(zhǔn)降壓/升壓轉(zhuǎn)化器已供貨，第一款在每個(gè)開關(guān)周期中4個(gè)MOSFET開關(guān)均處于工作狀態(tài)，此類工作模式可以產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的降壓/升壓波形。仔細(xì)分析這些波形可以發(fā)現(xiàn)，通過電感器和MOSFET的有效電流(RMS)比標(biāo)準(zhǔn)降壓或升壓轉(zhuǎn)換器高很多，這將導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)損耗及開關(guān)損耗增加。同步運(yùn)行4個(gè)開關(guān)也會(huì)提高門驅(qū)動(dòng)損耗，從而使低輸出電流狀態(tài)下的效率急劇下降。
第二款新型降壓/升壓控制方式在每個(gè)開關(guān)周期只運(yùn)行2個(gè)MOSFET，從而降低了損耗。從圖2可以看出，這種控制方案可以運(yùn)行于三種不同模式。當(dāng)Vin大于Vout時(shí)，轉(zhuǎn)換器打開Q4并關(guān)閉Q3，然后將Q1及Q2作為標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器使用；當(dāng)Vin小于Vout時(shí)，控制電路打開Q2并關(guān)閉Q1，然后將Q3及Q4作為標(biāo)準(zhǔn)升壓轉(zhuǎn)換器使用。但這種控制模式在降壓與升壓模式間的轉(zhuǎn)換區(qū)會(huì)出現(xiàn)一些運(yùn)行和控制問題。為解決這些問題，可在轉(zhuǎn)換過程采用標(biāo)準(zhǔn)降壓/升壓模式。因?yàn)樵跇?biāo)準(zhǔn)降壓/升壓工作模式下，所有4個(gè)開關(guān)均處于工作狀態(tài)，所以能夠解決這些控制問題。但開關(guān)損耗與RMS電流的提高使得轉(zhuǎn)換區(qū)中的效率驟降，而且這個(gè)效率驟降區(qū)接近電池電壓(大部分電池電量在此時(shí)提供)，所以在電池放電曲線的大部分區(qū)域，轉(zhuǎn)換器工作于低效的降壓/升壓模式下。
第三款降壓/升壓控制模式消除了降壓與升壓模式間的轉(zhuǎn)換區(qū)域，所以在性能與效率方面得以顯著提高。TI的TPS63000降壓/升壓轉(zhuǎn)換器包含先進(jìn)的控制拓?fù)?，從而能夠解決標(biāo)準(zhǔn)降壓/升壓轉(zhuǎn)換器所面臨的各種問題。無論運(yùn)行于何種模式下，TPS63000在每個(gè)開關(guān)周期僅有兩個(gè)開關(guān)處于工作，這不僅減少了功耗，而且還在電池完全放電曲線過程中保持高效率。與一些解決方案不同的是，TPS63000集成了所有補(bǔ)償電路，而且僅需3個(gè)外部組件便可運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品尺寸最小化。
圖3為4種解決方案中鋰離子電池電壓下降到3.3V時(shí)的放電曲線與運(yùn)行時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
這些解決方案包括級(jí)聯(lián)降壓與升壓轉(zhuǎn)換器、單獨(dú)的降壓轉(zhuǎn)換器、LDO轉(zhuǎn)換器以及TPS63000降壓/升壓轉(zhuǎn)換器。圖中采用具有1650mAHr容量且充滿電的18650鋰離子電池。負(fù)載電流為500mA，當(dāng)3.3V電壓軌電壓低于最初設(shè)定值5％時(shí)系統(tǒng)關(guān)閉。這里要求使用同一電池以避免因電池容量差異而導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏差。和我們預(yù)期的一樣，LDO的運(yùn)行時(shí)間較短，僅為190分鐘，而降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行時(shí)間最長，達(dá)到了203分鐘，級(jí)聯(lián)降壓/升壓解決方案的運(yùn)行時(shí)間最短，僅為175分鐘。
其它需要考慮的因素
圖3數(shù)據(jù)是在恒定直流負(fù)載條件下測得，這是性能測試的通用做法，但卻與實(shí)際應(yīng)用有區(qū)別。為使便攜式應(yīng)用的運(yùn)行時(shí)間長，只有在需要時(shí)才連接負(fù)載，在不需要時(shí)應(yīng)斷開負(fù)載。顯示器、處理器及功率放大器是在系統(tǒng)電池上產(chǎn)生明顯瞬態(tài)電流的主用來源，它們的負(fù)載變動(dòng)幅度將會(huì)由于電池內(nèi)部源電阻、保護(hù)電路及分布總線阻抗而導(dǎo)致電池總線上的電壓降低。若這些負(fù)載變動(dòng)幅度發(fā)生在放電周期的最后階段，則能將電池電壓降至3.3V以下。若采用降壓或LDO解決方案則可能導(dǎo)致系統(tǒng)提前關(guān)機(jī)，而降壓/升壓解決方案則會(huì)度過瞬態(tài)繼續(xù)運(yùn)行，從而延長系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間。
實(shí)驗(yàn)室測試過程中并不明顯的負(fù)載瞬態(tài)電流在實(shí)際應(yīng)用中卻異常明顯，原因是鋰離子電池經(jīng)過150個(gè)充電/放電周期后，其內(nèi)部阻抗增加了一倍；當(dāng)工作溫度在0?C～25?C之間，其內(nèi)部阻抗也會(huì)增加一倍。
總結(jié)
鋰離子電池電壓轉(zhuǎn)換為3.3V的設(shè)計(jì)方案眾多，設(shè)計(jì)工程師可以根據(jù)系統(tǒng)特定要求選擇最佳解決方案。降壓/升壓轉(zhuǎn)換器適用于大多數(shù)系統(tǒng)，原因是它具有最長的運(yùn)行時(shí)間、最小的尺寸以及相對(duì)較低的成本，是大多數(shù)便攜式應(yīng)用的最佳整體解決方案。
選擇降壓/升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)必須清楚各種降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的特性并不相同，一定要注意運(yùn)行模式、整個(gè)電池運(yùn)行階段的效率以及解決方案整體尺寸等因素。
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