用于便攜式系統(tǒng)的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

　　“更小、更便宜、更有效率。”這句話反映了對下一代便攜式設備的要求。業(yè)界不斷地將這些要求推向極致，設計工程師發(fā)現(xiàn)很難對這三個要求單獨進行優(yōu)化。最佳的解決方案取決于整個系統(tǒng)要求以及大小、成本或效率(運行時間)方面的綜合要求。設計師有很多備選的電源拓撲結構：降壓、低壓差穩(wěn)壓器(LDO)和降壓-升壓，這些拓撲結構各有優(yōu)缺點。

　　本文將向您揭示各種拓撲結構的優(yōu)點和缺點，特別結合了常常在大多數(shù)便攜式電源應用中用到的鋰離子電池電壓到3.3V電壓軌轉(zhuǎn)換。我們將解釋降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的不同實現(xiàn)，并說明當涉及到降壓-升壓轉(zhuǎn)換器時，“一種解決方案并不能滿足所有要求?！?/P>

　　存在的問題

　　圖1說明了鋰離子電池到3.3V電壓轉(zhuǎn)換所面臨的設計挑戰(zhàn)。滿充的典型鋰離子電池放電電壓從4.2V開始。圖1中的X軸開始于“t=-5分鐘”，顯示電池滿充開路電壓。在“t=0”時，給電池加上負載，因為其內(nèi)部阻抗和保護電路，電壓下降。當逐漸下降到約3.4V時電壓開始快速下降，因為這個時候已經(jīng)接近其放電周期的終點。為了充分利用電池存儲的能量，在大部分的放電周期內(nèi)3.3V的電壓軌需要一個降壓轉(zhuǎn)換器，而對于放電周期的其它部分時間，則需要升壓轉(zhuǎn)換器。

　　從鋰離子電池有效地產(chǎn)生3.3V電壓軌并不是新問題，有很多解決方案。這里我們將討論一些廣泛使用的解決方案。包括級聯(lián)降壓和升壓、降壓-升壓、降壓和LDO電壓拓撲。我們將討論每種設計的折中問題，而且還測量和比較了系統(tǒng)的運行時。

　　級聯(lián)降壓和升壓轉(zhuǎn)換器解決方案

　　級聯(lián)降壓和升壓轉(zhuǎn)換器由兩個獨立的離散轉(zhuǎn)換器組成：一個降壓轉(zhuǎn)換器和一個升壓轉(zhuǎn)換器。降壓轉(zhuǎn)換器將電池電壓調(diào)節(jié)到一個中間電壓，例如1.8V。然后，升壓轉(zhuǎn)換器再將中間電壓升壓到3.3V。如果系統(tǒng)正好需要低電壓軌的話，這種架構非常有用。它100%地利用了電池容量。然而，從效率的觀點來看，這種解決方案的效率并不是最高的，因為它采用了兩級轉(zhuǎn)換。

　　電源轉(zhuǎn)換效率是降壓轉(zhuǎn)換器和升壓轉(zhuǎn)換器效率之積。對于工作在這些電壓下的降壓轉(zhuǎn)換器和升壓轉(zhuǎn)換器的效率均為90%。這樣3.3V轉(zhuǎn)換器的總效率就等于90%×90% = 81%。兩個分立的轉(zhuǎn)換器增加了這種架構的元件數(shù)量和尺寸，因此這種方案無法用于小體積的便攜式產(chǎn)品。另外一個缺點是兩個分離的轉(zhuǎn)換器增加了成本。

　　只有降壓轉(zhuǎn)換器的解決方案

　　從鋰離子電池產(chǎn)生3.3V的另外一個常常被忽視的解決方案是降壓轉(zhuǎn)換器。這種解決方案并沒有得到廣泛的使用。然而，它具有一些明顯的優(yōu)勢，不應該被忽視。設計師常常在看了圖1的放電曲線后棄用這種解決方案。圖1顯示一個降壓轉(zhuǎn)換器不能在電池的整個放電曲線中產(chǎn)生3.3V電壓軌。當降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓降低到接近其輸出電壓時，很多的降壓轉(zhuǎn)換器進入到100%的負載周期模式。

　　圖1：1650mA-hr 18650鋰離子電池放電曲線。

　　在這種情況下，轉(zhuǎn)換器停止開關，直接將輸入電壓遞送到輸出。在100%的負載周期模式下，輸出電壓等于輸入電壓減去在轉(zhuǎn)換器上的壓降。這個壓降是功率金屬場效應晶體管(MOSFET)的接通阻抗、輸出電感的直流阻抗以及負載電流的函數(shù)。它設置最低的電池電壓，在此電壓下的輸出仍被認為處于電壓調(diào)節(jié)狀態(tài)。假設系統(tǒng)允許3.3V的電壓軌降低5%，并且依然處于電壓調(diào)節(jié)狀態(tài)，那么就可以用等式1計算得到系統(tǒng)工作的最低電池電壓。

　　其中Vout_nom是標稱的3.3V設置點，Rdson是功率MOSFET的接通電阻，RL是輸出電感的直流電阻，Iout是轉(zhuǎn)換器的3.3V輸出電流。

　　當電池電壓降低到Vbattery_min時，系統(tǒng)必須關斷，以確保不會因為電壓低于3.3V以下的最小容忍電壓而導致數(shù)據(jù)損壞。即使電池的電量還有額定容量的5%~15%，系統(tǒng)仍然可能關斷。實際的未使用容量取決于很多因素，包括器件阻抗、負載電流、電池壽命以及環(huán)境溫度。

　　大多數(shù)設計師就只為這個原因而放棄采用單獨的降壓轉(zhuǎn)換器拓撲，但是仔細地了解實際的系統(tǒng)運行時可以發(fā)現(xiàn)，這種選擇可能有些草率。傳統(tǒng)的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器以及級聯(lián)降壓和升壓拓撲結構的效率比單獨的降壓轉(zhuǎn)換器低很多。盡管這些拓撲利用了整個電池容量，但他們的效率比降壓轉(zhuǎn)換器的效率低很多。在很多實例中，單獨的降壓轉(zhuǎn)換器運行時超過其它兩種拓撲。直到約2005年，完全集成的降壓轉(zhuǎn)換器還常常是產(chǎn)生3.3V電壓軌的最佳選擇。

　　低壓差穩(wěn)壓器方案

　　另外一種并未得到廣泛使用的解決方案是LDO。與“單降壓”的解決方案一樣，LDO也不能完全利用到電池的容量。這是因為只有當輸入電壓大于輸出電壓加LDO壓差時LDO才保持調(diào)壓功能。比如LDO的壓差為0.15V，當電池電壓降低到3.3V + 0.15V = 3.45V后，3.3V的輸出電壓開始下降。根據(jù)LDO壓差的不同，與“單降壓”解決方案相比，這種解決方案可能會留下很多未用能量在電池里。盡管有這樣的缺點，LDO的好處仍然使其在合適的情況下成為很有吸引力的解決方案。

　　LDO通常提供最小的解決方案尺寸，在空間約束成為系統(tǒng)的主要要求時，它是一種可選的方案。LDO通常也是最便宜的解決方案，因此對成本敏感的應用來說極具吸引力。很多設計師因為低效率而放棄采用LDO，但是認真了解這種應用的效率(等式2)會發(fā)現(xiàn)這是一個不錯的解決方案。

　　由于滿充的鋰離子電池初始電壓為4.2V，因此LDO效率初始值為78%，隨著電池電壓的降低效率也隨之增加。

　　降壓-升壓轉(zhuǎn)換器解決方案

　　降壓-升壓拓撲結構正在得到廣泛的應用。這種拓撲結構整合了前面討論的所有其他解決方案的最佳特性。正如其名一樣，它提供“降壓和升壓”功能，可以百分之百地利用電池容量。

　　根據(jù)具體的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)方式，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可以具有非常高的效率。例如， TI公司的全集成降壓-升壓轉(zhuǎn)換器TPS63000在進行3.6V到3.3 V的轉(zhuǎn)換中效率可達95%左右。非常高效率地使用整個電池容量提供了所有解決方案中最長的使用時間。集成了功率開關、補償器件和反饋電路的完全集成的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器解決方案的尺寸非常小。需要的外部器件僅僅包括輸入電容、輸出電容和電感，就器件數(shù)量和方案尺寸而言，可以與降壓方案媲美。單芯片的高集成度IC解決方案有助于使總體成本最小。

　　圖2顯示了降壓-升壓電源等級。該拓撲結構由一個降壓電源級和一個升壓電源級組成，降壓電源級的兩個功率開關通過功率電感連接到降壓電源級的兩個功率開關。這些開關可以用三種不同的工作模式進行控制：降壓-升壓模式、降壓模式和升壓模式。一種特殊的IC工作模式是輸入-輸出電壓比、IC控制拓撲的函數(shù)。

　　圖2：降壓-升壓電源級。

　　不是所有的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器都是相同的

　　在便攜式應用中采用降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的情況已經(jīng)存在很長一段時間了。當涉及到效率和尺寸大小的時候，通常這些降壓-升壓轉(zhuǎn)換器有很嚴格的要求。硅片和封裝技術只是在最近才發(fā)展到能在一個小封裝中用一個合適的控制環(huán)集成4個MOSFET開關。有幾種降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可供選擇，但是通常這些降壓-升壓轉(zhuǎn)換器具有很不一樣的工作特性。

　　盡管不同的降壓-升壓解決方案具有相同的電源級拓撲，但它們具有差異很大的控制電路。有三種標準的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。第一種在每個開關周期內(nèi)所有四個MOSFET都工作。這將產(chǎn)生典型的降壓-升壓波形。仔細分析這些波形可以發(fā)現(xiàn)通過電感和MOSFET的均方根(RMS)電流遠遠高于標準的降壓或升壓轉(zhuǎn)換器。這導致降壓-升壓拓撲的導通和開關損耗增加。四個開關同時工作還增加了柵極驅(qū)動損耗，在較低的輸出電流下，這會極大地降低效率。

　　第二種降壓-升壓控制方案比較新，每個開關周期只有兩個MOSFET工作，因此降低了損耗。參見圖2，這種控制方案工作在三種不同的模式。當Vin大于Vout時，轉(zhuǎn)換器打開Q4，關閉Q3。然后像經(jīng)典的降壓轉(zhuǎn)換器一樣，控制Q1和Q2。當Vin低于Vout，控制電路打開Q2并關閉Q1。然后像經(jīng)典的升壓轉(zhuǎn)換器一樣控制Q3和Q4。這種控制模式在降壓和升壓模式之間的轉(zhuǎn)換期間存在幾種控制和操作問題。這些問題的解決辦法是在轉(zhuǎn)換期間以典型的降壓-升壓