善用旁路模式應對電源管理系統中的內阻挑戰

對智能手機或平板計算機等可攜式設備而言，電池其實(shí)不是非?？煽康?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/電源">電源。除了有限的容量、溫度和老化等變量影響外，內阻更是個(gè)捉摸不定，經(jīng)常變化的影響參數。在電源管理系統中，妥善利用旁路模式，將可有效應對內阻變化所帶來(lái)的挑戰。

對智能手機或平板計算機等可攜式設備而言，電池似乎是一個(gè)良好的穩定電源。只需添加一個(gè)降壓 - 升壓穩壓器，電源問(wèn)題就幾乎全部解決了。若能夠有效地控制充電/放電周期，并且擁有一個(gè)良好的電量偵測子系統，就應該能夠得到所需的電壓和電流。

然而，事實(shí)上電池不是非?？煽康碾娫?。除了有限的容量、溫度和老化等變量影響外，主要的缺點(diǎn)是其內阻（整合的保護開(kāi)關(guān)阻抗和電池特性的綜合）可在幾十mΩ到幾百mΩ之間變化。更復雜的是，該內部電阻還具有頻率相關(guān)性。

在典型的應用中，電池兩端（通常是2.5V∼4.35V，取決于化學(xué)物質(zhì)）連接至系統電源管理單元的輸入，而系統電源管理單元為不同子系統建立系統電源軌。目前智能手機中一些標準的電路，如高性能應用處理器/CPU、高電流USB OTG、相機閃光燈或增強音頻，對電池電壓造成了變化差距很大的負載條件。

本文將介紹一款結合升壓穩壓器和整合式低阻抗旁路開(kāi)關(guān)的新型電源設計，除了可以提供更寬的工作電壓范圍，還能自動(dòng)升壓，防止輸出跌至低于設定的目標輸出電壓。另外，它還可以利用外部控制引腳調用旁路模式，能夠將靜態(tài)電流降至幾微安培的范圍。

內阻對電池續航力造成明顯影響

目前絕大多數的行動(dòng)裝置都具備多核心CPU和高耗電的圖形處理單元（GPU），以及音頻放大器和大型顯示器，這些組件通常是行動(dòng)裝置中最耗電的零組件。當系統執行資源密集型任務(wù)時(shí)，由于負載突然增大，電源管理系統從電池汲取的電流常會(huì )瞬間增高二或三安培。因此，電池電壓周期性下跌，系統電源管理單元的某些輸出會(huì )失去調節，在最差情況下，系統管理單元過(guò)早觸發(fā)截止電壓，導致掉電情況發(fā)生。

圖1顯示三個(gè)具有相同容量，但內阻值各有不同的電池的掉電情況。當出現高電流脈沖負載時(shí)，具有較高內阻的電池續航時(shí)間較短。

圖1　 不同內阻在脈沖負載情境下的放電曲線(xiàn)

旁路模式提供更高操作電壓瞬態(tài)響應性能不可忽視

為了克服行動(dòng)裝置電源管理所遇到的上述挑戰，并提供新的操作優(yōu)勢，支持旁路模式（Bypass Mode）的升壓穩壓器是一種解決方案。以安森美半導體（On Semiconductor）的FAN48623升壓穩壓器為例，在操作時(shí)，當輸入電壓VIN超過(guò)目標輸出電壓VOUT時(shí)，FAN48623自動(dòng)切換到旁路模式，如圖2所示。在旁路模式下，電池透過(guò)非常低的阻抗直接連至輸出。

圖2　 自動(dòng)旁路模式

除了自動(dòng)旁路轉換之外，設計人員還可以在任何時(shí)候強制裝置進(jìn)入旁路模式。在強制旁路模式下，只有2至3μA的靜態(tài)電流可用，但仍然有足夠的電池電壓可用于喚醒操作。圖3顯示了由nBYP訊號控制的升壓模式和低IQ強制旁路模式之間的轉換。

圖3　 低IQ強制旁路

強制FAN48623進(jìn)入旁路模式，可實(shí)現全電池輸出與接近零消耗，從而能夠以極小的損耗提供最大的電源電壓。真正的負載斷開(kāi)功能還意味著(zhù)可以斷開(kāi)「漏電負載」與電池電壓的連接。

比較一下支持旁路的升壓與使用降壓/升壓穩壓器的傳統方式。在傳統方式下，升壓轉換會(huì )在VIN較低時(shí)限制整體效率。而使用具旁路的升壓拓撲可實(shí)現更高的效率（高達96%），即使當穩壓器與其他降壓穩壓器或LDO串聯(lián)時(shí)，整體端到端效率也會(huì )保持很高。利用升壓加旁路方式，升壓轉換效率會(huì )比同等大小的降壓-升壓解決方案（》1A負載電流范圍）高出10%。

當出現突然的負載變化時(shí)，電池和電源子系統會(huì )受到壓力。當負載增加而電池和電源無(wú)法應對時(shí)，電源系統將面對更艱困的挑戰。假設電池內阻為200mΩ，當施加1A負載時(shí)，由于ESR降低，電池電壓迅速由起始充電電壓4.2V降至低于4V。

現在來(lái)看一下使用FAN48623升壓加旁路方式的系統動(dòng)態(tài)。由于快速升壓模式轉換，控制回路可以處理較高的VIN（dV/dt）轉換速率，如圖4所示，其中600mV線(xiàn)路電壓瞬間從3.0變?yōu)?.6VIN，下降沿為10μs，負載電流為500mA，輸出電壓VOUT為3.3V。

圖4　 自動(dòng)旁路模式下的線(xiàn)路瞬態(tài)響應

升壓和旁路工作模式之間的轉換很快：當VIN大于目標VOUT，并且非常密切地跟隨瞬態(tài)時(shí)，IC在5μs 內進(jìn)入旁路模式。

圖5　 PMIC內部升壓穩壓器的應用示意圖

圖6　 升壓RF DC/DC的應用示意

旁路升壓穩壓器搞定行動(dòng)裝置電源設計各種難題

支持旁路模式的升壓穩壓器可以應用在行動(dòng)裝置電源系統中的許多環(huán)節，例如PMIC、RF DC/DC、D類(lèi)音訊放大器等，以下將介紹幾種典型應用案例。

PMIC內部的電壓穩壓器

PMIC內的某些電壓穩壓器（降壓和 LDO）需要極小的輸入電壓來(lái)維持正常操作。

RF DC/DC

傳統上，用于驅動(dòng)天線(xiàn)的2G RF功率放大器（PA）直接連接到電池。3G RF功率放大器則使用動(dòng)態(tài)可調 DC/DC轉換器來(lái)提供降壓電壓Vcc。DC-DC轉換器提高可攜式通訊設備中的RF PA系統效率，能夠降低功耗、延長(cháng)電池壽命并減少熱量。

使用FAN48623，當電池電壓過(guò)低時(shí)，電池電壓會(huì )被升高。

D 類(lèi)音訊放大器

幾乎通用于所有音頻信道的D類(lèi)開(kāi)關(guān)模式放大器也帶來(lái)新的挑戰?；叵胍幌?，可用電源與電源電壓的平方成正比，因此電源電壓即便只有微小的增加，也會(huì )導致明顯增大的放大器凈空距離和潛在的電源輸出。設計人員可以使用FAN48623為揚聲器驅動(dòng)器供電，并獲得高效率的功率提升。FAN48623將VBATT增至較高的電壓，并提高揚聲器的音量。憑借其高電流性能，FAN48623能夠同時(shí)驅動(dòng)兩個(gè)或更多的 D類(lèi)音訊放大器。

圖7　 升壓 D 類(lèi)音訊放大器的應用示意圖

圖8　 OTG應用示意圖

USB On The Go （OTG）

隨著(zhù)智能手機、數字相機、平板計算機和其他行動(dòng)設備的技術(shù)進(jìn)步，不用通過(guò)計算機而能直接與這些設備互連的需求也增加了。

針對USB OTG應用，電源系統需要升壓轉換器將電池電壓升高到5V電壓，從而為連接USB埠的其他便攜設備供電。采用一般的電池充電器，OTG的供電能力通常限制在200∼500mA。FAN48623能夠支持兩個(gè)USB 3.0埠，可與電池充電器共享相同的電感器，這有助于降低BOM和整體成本。當電池處于充電模式時(shí)，FAN48623完全關(guān)閉，電池充電器通過(guò)USB電源運行。

在沒(méi)有電池，直接從USB埠供電的情況下，FAN48623的強制旁路模式操作還有利于促進(jìn)生產(chǎn)測試模式（PTM）。

旁路模式克服行動(dòng)裝置電源設計挑戰

支持旁路模式的升壓穩壓器非常適合當今高耗電、變化范圍大的負載。以FAN48623為例，該組件可接受2.5V ∼5.5V輸入電壓，固定輸出電壓則為3V∼5V。VIN為2.5V且VOUT為3.3V時(shí)，最大連續負載電流為2.5A?？捎玫淖畲筝敵鲭娏魅Q于VIN/VOUT比率。每個(gè)選項都支持兩個(gè)工廠(chǎng)程序設計的輸出電壓，可通過(guò)VSEL引腳選擇。該裝置可以設置為強制旁路狀態(tài)，從而減少不需要升壓運行時(shí)的靜態(tài)電流。