便攜式系統(tǒng)電源拓?fù)浞桨高x擇的分析

降壓/升壓轉(zhuǎn)換器方案

降壓/升壓方案的所有優(yōu)點(diǎn)。顧名思義，該德州儀器(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(zhǎng)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(shì)，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?br />


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。現(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)域中，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(zhǎng)，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。表1顯示了真實(shí)系統(tǒng)放電曲線的關(guān)鍵區(qū)域比較。

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(cè)得，這是性能測(cè)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(zhǎng)，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(zhǎng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)室測(cè)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。圖4顯示了負(fù)載瞬態(tài)電流條件下運(yùn)行的鋰電池的總線電壓。降壓及降壓/升壓轉(zhuǎn)換器具有250mA的恒定負(fù)載電流，從而使電池總線負(fù)載500mA的瞬態(tài)電流。降壓轉(zhuǎn)換器輸出下降至無法穩(wěn)壓時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)關(guān)機(jī)。TPS63000降壓/升壓轉(zhuǎn)換器則可以度過瞬態(tài)正常運(yùn)行，且輸出電壓沒有變化。

本文小結(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(zhǎng)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。

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/177738.htm