降壓-升壓型控制器延長(cháng)手持式設備的電池工作時(shí)間

背景

在便攜式產(chǎn)品中使用小型、高能量密度現代電池技術(shù)的電源應用必須在整個(gè)電池放電和再充電電壓范圍內高效率工作。這給需要3.3V總線(xiàn)電壓、由鋰離子和鋰聚合物電池供電的系統帶來(lái)了設計挑戰。尤其是3.3V總線(xiàn)電壓需要提供大于0.5A的負載電流時(shí)，更是這樣。雖然降壓型轉換器擅長(cháng)以高效率將2.7～4.2V的鋰離子電池電壓轉換成較低的輸出電壓(如1.8V)，升壓型轉換器能高效率地產(chǎn)生較高的輸出電壓(如5V)，但是這兩種轉換器都不能始終產(chǎn)生3.3V的總線(xiàn)電壓。單端主電感轉換器(SEPIC)，級聯(lián)一個(gè)升壓和降壓型轉換器等拓撲能利用全部電池電量，但是受到低效率、高成本、占板面積增加、器件數較多和設計復雜性高等缺點(diǎn)的困擾。

單或兩節鋰離子電池通常用5～9V的交流適配器充電。能夠讓DC/DC轉換器直接用交流適配器取代電池來(lái)工作，縮短電池充電時(shí)間。當然，這要求轉換器不僅能夠在最低的電池輸入電壓下工作，而且還能夠用升高的輸入電壓工作。傳統上，由電池供電的手持式設備直接從電池吸取功率，甚至在電池充電時(shí)也一樣。這種類(lèi)型的DC/DC轉換器還需要非常低的靜態(tài)電流，以在備用或空閑模式下節省電池能量。

同步降壓-升壓型控制器是理想解決方案

為由單節鋰離子電池供電的手持式設備中提供3.3V電源軌是個(gè)復雜問(wèn)題，很多公司都提供了解決方案，凌力爾特公司的LTC3785同步降壓-升壓型開(kāi)關(guān)穩壓DC/DC控制器就是其中之一。其專(zhuān)有的降壓-升壓拓撲僅需要單個(gè)電感器，就能用高于、等于或低于輸出電壓的輸入電壓以高效率產(chǎn)生固定輸出電壓。LTC3785以2.7～10V的輸入和輸出電壓工作，非常適用于單節或兩節鋰離子或鋰聚合物電池，或多節堿性鎳氫金屬、鎳鎘或堿性電池。這個(gè)高度集成的控制器僅使用很少的纖巧外部組件，具有很多可編程功能，如軟啟動(dòng)、開(kāi)關(guān)頻率和限流門(mén)限電壓。

效率曲線(xiàn)如圖1所示的電路在同步、4開(kāi)關(guān)降壓-升壓型DC/DC轉換器中采用LTC3785控制器，并用2.7～10V輸入電壓、以高達96%的效率產(chǎn)生3.3V/3A固定輸出。LTC3785 提供全部N溝道MOSFET柵極驅動(dòng)，為使用低RDS(ON)單封裝多電源開(kāi)關(guān)技術(shù)提供了方便。其專(zhuān)有拓撲和控制架構利用MOSFET的RDS來(lái)檢測正向和反向限流，實(shí)現無(wú)與倫比的高效率。在想要提高限流準確度時(shí)，可以使用檢測電阻。另外，LTC3785能以突發(fā)模式(Burst Mode)工作，將輕負載時(shí)的靜態(tài)電流降至低于100μA，這對延長(cháng)便攜式應用的電池工作時(shí)間是至關(guān)重要的。LTC3785在停機時(shí)還具有真正輸出斷接能力，確保電池與系統負載的斷開(kāi)。

圖1 降壓-升壓型轉換器原理圖及其效率曲線(xiàn)

先進(jìn)的控制拓撲最大限度提高效率

LTC3785基于標準H橋式降壓-升壓功率級，如圖2所示。它同時(shí)含有降壓和升壓開(kāi)關(guān) MOSFET，這些MOSFET連接到單個(gè)電感器上。與不斷地同時(shí)開(kāi)關(guān)所有4個(gè)MOSFET的標準降壓-升壓模式不同，LTC3785采用專(zhuān)有設計，每次只開(kāi)關(guān)兩個(gè)MOSFET。很多降壓-升壓控制電路在轉換點(diǎn)都有效率下降、電源抖動(dòng)或輸出電壓不穩定問(wèn)題。然而，LTC3785在降壓、降壓-升壓和升壓工作區之間無(wú)縫轉換，在所有工作模式下都保持低噪聲性能。這個(gè)控制電路還極大地降低了不必要的開(kāi)關(guān)和傳導損耗，最大限度地提高了轉換器的效率。

圖2 電源部分方框圖和工作模式

工作模式

輸入電壓高于輸出電壓時(shí)，該轉換器以降壓模式工作，開(kāi)關(guān)A和B轉換輸入電壓，開(kāi)關(guān)D保持接通，L1連接到輸出(見(jiàn)圖2)。隨著(zhù)輸入電壓降低并接近輸出電壓，該轉換器接近降壓模式工作的最大占空比，電橋的升壓部分開(kāi)始開(kāi)關(guān)，進(jìn)入降壓-升壓或4開(kāi)關(guān)工作區。隨著(zhù)輸入電壓進(jìn)一步降低，該轉換器進(jìn)入升壓區。開(kāi)關(guān)A以最小升壓占空比保持接通，電感器連接到輸入，開(kāi)關(guān)C和D在輸出電容器和地之間轉換電感器的輸出側，作為同步升壓轉換器工作。

實(shí)現更高靈活性的其他功能

LTC3785還有其他一些功能可以提高其在便攜式應用中的可用性，例如，需要極低靜態(tài)電流以延長(cháng)電池工作時(shí)間。就這類(lèi)便攜式應用而言，該器件能夠配置成以突發(fā)模式工作，以延長(cháng)電池工作時(shí)間。在突發(fā)模式時(shí)，LTC3785向輸出提供能量，直到輸出電壓達到穩定狀態(tài)。達到穩定狀態(tài)以后，該器件被置于休眠狀態(tài)，對外部MOSFET的驅動(dòng)被關(guān)斷，只有關(guān)鍵電路保持有效，LTC3785消耗不到100μA電流。這期間負載電流由輸出電容器提供。當輸出電壓下降到低于較低的穩壓邊沿時(shí)，該器件“醒來(lái)”，并再次開(kāi)始進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，重新給輸出電容器充電。

通過(guò)檢測和限制MOSFET A從輸入電源吸取的輸入電流，LTC3785還提供過(guò)載和短路保護。如果達到了用戶(hù)編程限流值，那么連接到RUN/SS引腳的軟啟動(dòng)電容器就被再次用做故障定時(shí)器并開(kāi)始放電。如果限流狀態(tài)持續足夠長(cháng)時(shí)間，該轉換器將被禁止，同時(shí)啟動(dòng)復位定時(shí)器以重啟轉換器。如果LTC3785不能重啟，而且過(guò)載狀態(tài)持續，那么這種工作模式將繼續限制總的功耗。通過(guò)向RUN/SS引腳提供一個(gè)小的電流，還可以讓該器件鎖斷而不是自動(dòng)重啟。由于外部MOSFET電阻變化，MOSFET 漏源檢測一般不是非常準確。如果需要更嚴格的限流準確度，可以增加電流檢測電阻。LTC3785還可以編程為實(shí)現全D級工作，以允許轉換器提供和吸收等于限流設置點(diǎn)的電流。這是通過(guò)確定CCM引腳上的高邏輯電平信號實(shí)現的。

內部P溝道低壓差穩壓器用輸入電源電壓在VCC引腳產(chǎn)生4.35V電壓。這個(gè)電壓為驅動(dòng)器和LTC3785內部電路供電，可以提供100mA峰值電流，該電流必須用一個(gè)最小值為4.7μF的電容器旁路到地。VCC穩壓器可以通過(guò)肖特基二極管連接到VOUT，以提供更高的柵極驅動(dòng)電流。

最后，LTC3785含有實(shí)現故障保護的過(guò)壓和欠壓功能以及瞬態(tài)限制。如果檢測到輸出電壓比目標穩壓點(diǎn)高出9.5%，那么開(kāi)關(guān)動(dòng)作停止。然后，輸出電壓將降至更安全的水平，因為沒(méi)有能量提供給輸出。一旦輸出充分下降，開(kāi)關(guān)動(dòng)作將重新開(kāi)始。在過(guò)壓情況下，該集成電路強制工作在固定頻率模式，而突發(fā)模式工作被禁止。

N溝道功率MOSFET選擇和解決方案尺寸

LTC3785需要4個(gè)外部N溝道功率MOSFET，兩個(gè)用于頂部開(kāi)關(guān)，另外兩個(gè)用于底部開(kāi)關(guān)。重要參數是VBR(DSS)、VGS(TH)、RDS(ON)和IDS(MAX)。驅動(dòng)電壓用4.35V VCC電源設置。就大多數輸入電壓預計低于5V的應用而言，可以采用低邏輯柵極門(mén)限MOSFET。另外，典型LTC3785 DC/DC轉換器全部采用陶瓷輸入和輸出電容器。一個(gè)10W輸出的完整電路占板面積不到2cm2cm，電感器是最高的器件，高度為0.32cm。