“尺寸更小、成本更低、效率更高”是市場(chǎng)對新一代便攜式設備的要求，但設計工程師很難對這三種需求進(jìn)行獨立優(yōu)化。優(yōu)化解決方案必須依據整體系統需求，對尺寸、成本及工作效率等因素進(jìn)行綜合考慮。對設計工程師而言，電源拓撲的選擇多種多樣，其中包括降壓轉換器、低壓降穩壓器(LDO)、降壓/升壓轉換器等，但它們各有利弊，選用時(shí)應進(jìn)行權衡。
本文將討論各種電源拓撲，尤其是在將鋰離子電池電壓轉換為3.3V電壓 電壓軌(大多數便攜式設備的電源電壓)時(shí)的利弊。本文還將說(shuō)明降壓/升壓轉換器的不同應用，并解釋降壓/升壓轉換器的解決方案需“量身定做”的原因。
從圖1可以看出，將鋰離子電池電壓轉換為3.3V電壓軌的設計很有挑戰。在充滿(mǎn)電的情況下，典型的鋰離子電池放電曲線(xiàn)的起始電壓為4.2V。X軸起始點(diǎn)為“-5分鐘”，對應的電壓為電池充滿(mǎn)電時(shí)的開(kāi)路電壓。在“0分鐘”時(shí)，電池接入負載，由于內部阻抗以及保護電路的作用，電壓開(kāi)始下降。電池電壓緩慢降至約3.4V，然后電壓開(kāi)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)間里使用步降轉換器，而在放電周期的剩余時(shí)間里使用升壓轉換器。
圖 1：1650mA-hr 18650 鋰離子電池放電曲線(xiàn)。
鋰離子電池電壓如何有效生成3.3V電壓軌的問(wèn)題由來(lái)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，包括級聯(lián)降壓與升壓、降壓/升壓、降壓以及LDO電源拓撲等，并討論每種設計方案的利弊，以及系統運行時(shí)間的測量與對比。
級聯(lián)降壓與升壓轉換器解決方案
級聯(lián)降壓與升壓轉換器包含降壓轉換器和升壓轉換器兩個(gè)獨立且分離的轉換器。降壓轉換器將電壓穩定在中電壓(如1.8V)，而升壓轉換器則將中電壓升高至3.3V。由于能夠100%地利用電池電量，所以該架構非常適用于要求較低電壓軌的系統。但由于采用了兩段轉換機制，從效率的角度考慮，這并不是最佳解決方案。
有效的功率轉換效率是降壓穩壓器效率與升壓穩壓器效率之積。工作在上述電壓條件下，降壓與升壓轉換器的典型效率值均為90%，因此3.3V轉換器的有效功率轉換效率為90%×90%=81%。由于該架構包含兩個(gè)獨立的轉換器，所以元件數量與系統體積均增加了，不但難以應用在小型便攜式產(chǎn)品中，而且還增加了成本。
獨立的降壓轉換器解決方案
采用降壓轉換器也能使鋰離子電池電壓轉換成3.3V電壓，但該方案常常被忽略，并未得到廣泛應用。設計工程師在觀(guān)察電池放電曲線(xiàn)(如圖1所示)后一般會(huì )放棄這個(gè)解決方案，這是因為從電池完全放電曲線(xiàn)(如圖1所示)可看出，降壓穩壓器無(wú)法生成3.3V電壓軌。當降壓轉換器的輸入電壓下降到接近輸出電壓時(shí)，很多降壓轉換器會(huì )進(jìn)入100%占空比模式。在此條件下，轉換器停止轉換，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換器的壓降。該壓降由(MOSFET導通電阻、輸出電感的直流電阻及負載電流決定，這樣便設定了仍處于穩壓范圍的最小電池電壓。假設系統認為3.3V電壓軌下降5％仍處于穩壓范圍，則用下面等式可計算出系統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導通電阻，RL為輸出電感dc電阻，Iout為轉換器3.3V時(shí)的輸出電流。
當電池電壓降至Vbattery_min時(shí)，系統在低于最小容限時(shí)必須關(guān)閉，以避免運行在3.3V電壓軌上而損壞數據。即使電池仍剩余5～15％電能，系統也有可能關(guān)閉。系統關(guān)閉前還剩余多少電池電能多少取決于元件電阻、負載電流、電池的新舊以及環(huán)境溫度等多種因素。
大多數設計工程師會(huì )因為這個(gè)原因而放棄采用單獨的降壓拓撲，但仔細研究系統實(shí)際運行時(shí)間就會(huì )發(fā)現，標準降壓/升壓、級聯(lián)降壓以及升壓拓撲的轉換效率比單獨的降壓轉換器的效率低得多。盡管這些拓撲能充分利用電池電量，但效率卻遠低于降壓轉換器。很多情況下，單獨降壓轉換器的運行時(shí)間比其他兩種拓撲都長(cháng)。直到2005年，全集成降壓轉換器才被視為生成3.3V電壓軌的最佳選擇。
低壓降穩壓器解決方案
另一種不常用的解決方案是LDO，與“單獨的降壓”方案類(lèi)似，LDO無(wú)法完全利用全部電池電量，原因是只有當輸入電壓大于輸出電壓與LDO壓降之和時(shí)，才能起到穩壓作用。如果LDO的壓降為0.15V，則當電池電壓低于3.3V+0.15V=3.45V時(shí)，3.3V輸出電壓開(kāi)始下降。由于采用這個(gè)解決方案而無(wú)法充分利用的電池電能，有可能比單獨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，因此當主系統對空間有嚴格要求時(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用。眾多設計工程師因LDO低效而放棄采用該方案，但是仔細研究后可以發(fā)現，該應用中的效率還是不錯的：
當充滿(mǎn)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/升壓轉換器方案
降壓/升壓拓撲的應用非常廣泛。這種拓撲結合了上述其他解決方案的所有優(yōu)點(diǎn)。顧名思義，該拓撲同時(shí)具有降壓、升壓兩種功能，因此可以100%利用電池電量。
降壓/升壓轉換器的部署方式?jīng)Q定了其具有極高的轉換效率。例如，德州儀器(TI)全集成降壓/升壓轉換器TPS63000在從3.6V降至3.3V過(guò)程中，轉化效率達到了95％左右。高轉換率意味著(zhù)可以充分利用電池電量，從而實(shí)現最長(cháng)運行時(shí)間。與降壓解決方案的元件數量與體積相比，集成了功率開(kāi)關(guān)、補償元件以及反饋電路的全集成降壓/升壓轉換器均不處于劣勢，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總體成本。
降壓/升壓功率級如圖2所示，該拓撲由帶2個(gè)功率開(kāi)關(guān)的降壓功率級和帶2個(gè)功率開(kāi)關(guān)的升壓功率級組成，這兩個(gè)功率級通過(guò)功率電感器相連。這些開(kāi)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運行模式具有特定的輸入輸出電壓比和IC控制拓撲。
圖 2：降壓/升壓功率級由帶 2 個(gè)功率開(kāi)關(guān)的降壓功率級和帶 2 個(gè)功率開(kāi)關(guān)的升壓功率級組成。
降壓/升壓轉換器不盡相同
便攜式應用對降壓/升壓轉換器的需求由來(lái)已久，但對其尺寸與效率的要求通常非常嚴格。直到最近，半導體封裝技術(shù)才發(fā)展到可以將4個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)及相應的控制環(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拓撲，但控制電路相差很大�，F有3款標準降壓/升壓轉化器已供貨，第一款在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中4個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)均處于工作狀態(tài)，此類(lèi)工作模式可以產(chǎn)生標準的降壓/升壓波形。仔細分析這些波形可以發(fā)現，通過(guò)電感器和MOSFET的有效電流(RMS)比標準降壓或升壓轉換器高很多，這將導致標準降壓/升壓轉換器的傳導損耗及開(kāi)關(guān)損耗增加。同步運行4個(gè)開(kāi)關(guān)也會(huì )提高門(mén)驅動(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(kāi)關(guān)周期只運行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行于三種不同模式。當Vin大于Vout時(shí)，轉換器打開(kāi)Q4并關(guān)閉Q3，然后將Q1及Q2作為標準降壓轉換器使用；當Vin小于Vout時(shí)，控制電路打開(kāi)Q2并關(guān)閉Q1，然后將Q3及Q4作為標準升壓轉換器使用。但這種控制模式在降壓與升壓模式間的轉換區會(huì )出現一些運行和控制問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，可在轉換過(guò)程采用標準降壓/升壓模式。因為在標準降壓/升壓工作模式下，所有4個(gè)開(kāi)關(guān)均處于工作狀態(tài)，所以能夠解決這些控制問(wèn)題。但開(kāi)關(guān)損耗與RMS電流的提高使得轉換區中的效率驟降，而且這個(gè)效率驟降區接近電池電壓(大部分電池電量在此時(shí)提供)，所以在電池放電曲線(xiàn)的大部分區域，轉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換區域，所以在性能與效率方面得以顯著(zhù)提高。TI的TPS63000降壓/升壓轉換器包含先進(jìn)的控制拓撲，從而能夠解決標準降壓/升壓轉換器所面臨的各種問(wèn)題。無(wú)論運行于何種模式下，TPS63000在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期僅有兩個(gè)開(kāi)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(xiàn)過(guò)程中保持高效率。與一些解決方案不同的是，TPS63000集成了所有補償電路，而且僅需3個(gè)外部組件便可運行，從而實(shí)現產(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(xiàn)與運行時(shí)間的對應關(guān)系。
這些解決方案包括級聯(lián)降壓與升壓轉換器、單獨的降壓轉換器、LDO轉換器以及TPS63000降壓/升壓轉換器。圖中采用具有1650mAHr容量且充滿(mǎn)電的18650鋰離子電池。負載電流為500mA，當3.3V電壓軌電壓低于最初設定值5％時(shí)系統關(guān)閉。這里要求使用同一電池以避免因電池容量差異而導致數據偏差。和我們預期的一樣，LDO的運行時(shí)間較短，僅為190分鐘，而降壓/升壓轉換器的運行時(shí)間最長(cháng)，達到了203分鐘，級聯(lián)降壓/升壓解決方案的運行時(shí)間最短，僅為175分鐘。
其它需要考慮的因素
圖3數據是在恒定直流負載條件下測得，這是性能測試的通用做法，但卻與實(shí)際應用有區別。為使便攜式應用的運行時(shí)間長(cháng)，只有在需要時(shí)才連接負載，在不需要時(shí)應斷開(kāi)負載。顯示器、處理器及功率放大器是在系統電池上產(chǎn)生明顯瞬態(tài)電流的主用來(lái)源，它們的負載變動(dòng)幅度將會(huì )由于電池內部源電阻、保護電路及分布總線(xiàn)阻抗而導致電池總線(xiàn)上的電壓降低。若這些負載變動(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解決方案則可能導致系統提前關(guān)機，而降壓/升壓解決方案則會(huì )度過(guò)瞬態(tài)繼續運行，從而延長(cháng)系統運行時(shí)間。
實(shí)驗室測試過(guò)程中并不明顯的負載瞬態(tài)電流在實(shí)際應用中卻異常明顯，原因是鋰離子電池經(jīng)過(guò)150個(gè)充電/放電周期后，其內部阻抗增加了一倍；當工作溫度在0?C～25?C之間，其內部阻抗也會(huì )增加一倍。
本文小結
鋰離子電池電壓轉換為3.3V的設計方案眾多，設計工程師可以根據系統特定要求選擇最佳解決方案。降壓/升壓轉換器適用于大多數系統，原因是它具有最長(cháng)的運行時(shí)間、最小的尺寸以及相對較低的成本，是大多數便攜式應用的最佳整體解決方案。
選擇降壓/升壓轉換器時(shí)必須清楚各種降壓/升壓轉換器的特性并不相同，一定要注意運行模式、整個(gè)電池運行階段的效率以及解決方案整體尺寸等因素。 |
