便攜式系統選擇電源拓撲方案的分析及對比
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時(shí)間：2010-06-06
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
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)的大部分區域中，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。表1顯示了真實(shí)系統放電曲線(xiàn)的關(guān)鍵區域比較。
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。圖4顯示了負載瞬態(tài)電流條件下運行的鋰電池的總線(xiàn)電壓。降壓及降壓/升壓轉換器具有250mA的恒定負載電流，從而使電池總線(xiàn)負載500mA的瞬態(tài)電流。降壓轉換器輸出下降至無(wú)法穩壓時(shí)會(huì )引起系統關(guān)機。TPS63000降壓/升壓轉換器則可以度過(guò)瞬態(tài)正常運行，且輸出電壓沒(méi)有變化。
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。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/180772.htm
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