物盡其用，教你便攜式產(chǎn)品的省電方案

　　在許多諸如手機、智能電話(huà)、數字媒體播放器或數碼相機等便攜式產(chǎn)品的設計中正出現一種增加功能或提升性能的發(fā)展趨勢。這通常是通過(guò)使用一些功能更為強大的處理器并添加更為復雜的模擬電路來(lái)實(shí)現，但其結果是使應用電路的功耗更高。通過(guò)增加電池容量可以滿(mǎn)足日益增長(cháng)的功耗需求，但這就需要更大容量的電池或者改進(jìn)電池技術(shù)。通常，人們不會(huì )選擇增大電池尺寸，因為外殼尺寸有限。由于當前電池技術(shù)的進(jìn)步以及新型技術(shù)的發(fā)展并不能滿(mǎn)足相同尺寸水平的高功耗要求，因此需要更多先進(jìn)的電源管理電路。與此同時(shí)，對小型解決方案的需求使這種挑戰變得更為棘手。

　　過(guò)去，為了獲得要求的性能，只需使用數個(gè)線(xiàn)性穩壓器即可。這些穩壓器被直接連接至電池，以產(chǎn)生要求的系統電壓軌。便攜式產(chǎn)品中使用的許多電源管理單元只使用了一些線(xiàn)性穩壓器來(lái)對功耗進(jìn)行控制。當時(shí)已經(jīng)運用的典型電池技術(shù)為3節NiCd或NiMH電池組。同時(shí)，這些化學(xué)特性已經(jīng)幾乎全部被單節鋰離子電池所取代，因為這些鋰離子電池具有更高的性能。隨著(zhù)許多應用對電流需求的增長(cháng)，一些線(xiàn)性穩壓器已經(jīng)被更為昂貴卻更加高效的降壓轉換器取而代之。諸如處理器內核和I/O的一些電源軌通常就是這樣產(chǎn)生的。

　　由于線(xiàn)性穩壓器和降壓轉換器僅能在其輸入電壓較高時(shí)對輸出端電壓進(jìn)行調節，因此，如果電池電壓降低至已編程的輸出電壓以下時(shí)，那么就需要將該系統關(guān)閉。一個(gè)線(xiàn)性穩壓器的最小壓降裕度或電感和開(kāi)關(guān)上的壓降裕度都必須加到輸出電壓之中。因此，對于一個(gè)來(lái)自一節鋰電池的典型3.3V電壓軌來(lái)說(shuō)，系統關(guān)閉的典型電池電壓為3.4V。當放電至3.0V時(shí)出現的剩余電量在此情況下將不會(huì )使用到。測量顯示，當前鋰離子電池中的剩余電量大約為10%。這就是說(shuō)，能夠利用這一剩余電量的任何電源管理解決方案都必須能夠在一個(gè)高于降壓轉換器解決方案效率減去10%以后的效率下工作。換句話(huà)說(shuō)，任何使用97%平均效率的降壓轉換器的替代解決方案都必須至少在一個(gè)比87%更高的平均效率下運行，以延長(cháng)應用一次電池充電的運行時(shí)間。對于許多降壓-升壓轉換器解決方案來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)巨大的挑戰。SEPIC或反向解決方案的一般效率為經(jīng)濟可行解決方案85%的最大范圍。為了獲得這一效率，已經(jīng)考慮使用諸如同步整流的多種提高效率的方法，同時(shí)這種解決方案的尺寸會(huì )比降壓轉換器大。4開(kāi)關(guān)降壓-升壓轉換中總是有2個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)開(kāi)關(guān)，在一個(gè)非常優(yōu)化的解決方案中，使用這種降壓轉換將會(huì )產(chǎn)生同樣的效率（85%）。因此，從這一角度來(lái)看，使用一個(gè)降壓-升壓轉換器并不能起作用，也正由于這個(gè)原因人們過(guò)去未曾考慮使用這種降壓轉換器。

　　但是，還存在一些其他的挑戰。例如，手機在數據傳輸期間使用高電流脈沖來(lái)驅動(dòng)其RF-PA。這些脈沖電流可以直接從電池獲得，其可引起電池阻抗和電池連接器上額外的壓降。由于低電源電壓，這可能會(huì )使系統電壓監控器在出現電流脈沖時(shí)關(guān)閉系統。手機中基于LED的相機閃光燈應用，或在媒體播放器應用中啟動(dòng)硬盤(pán)驅動(dòng)器，都會(huì )在電池上產(chǎn)生類(lèi)似的影響。由于老化或低溫導致電池阻抗的增加使這些問(wèn)題變得更為嚴重。在此情況下，降壓-升壓轉換器可用于應對關(guān)鍵系統電壓軌的電壓降。這就使系統運行更加穩定可靠，同時(shí)還允許更低的電池電壓放電。

　　除此以外，電池也正得到改進(jìn)。通常，增加電池容量會(huì )伴隨著(zhù)使用更寬的輸出電壓范圍。例如，利用未來(lái)的鋰電池技術(shù)，電池可以被充電至高達4.5V，同時(shí)可以被放電低至2.3V。取一個(gè)中間電壓3.4V，其就可以使電池容量相當大的一部分處于未使用狀態(tài)。還有一些正處于開(kāi)發(fā)階段的電池技術(shù)將可以在3.4V電壓以下出色地工作（例如Li-S）。

　　在此情況下，肯定會(huì )需要降壓-升壓轉換。解決這一問(wèn)題的一種簡(jiǎn)單方法是，生成一個(gè)較高的系統電壓軌（例如5V），其可以用于生成所有系統電壓軌，這些電壓軌高于電池的截止電壓。通過(guò)使用一個(gè)較大的高效升壓轉換器和級聯(lián)降壓轉換器可以完成這一工作?？傠娫崔D換效率可以輕松地達到90%以上。不幸的是，更多的升壓轉換器需要更多的空間，而在便攜式手持設備中通常并不具備這樣的空間。

　　另外一個(gè)選擇是使用一個(gè)降壓-升壓轉換器來(lái)直接從電池生成系統電壓軌。正如上面所述，電源轉換效率是設計一款具有競爭力電源管理解決方案的關(guān)鍵因素。另一個(gè)重要的因素是解決方案的尺寸?？紤]到這一點(diǎn)，基于SEPIC或反向拓撲結構的降壓-升壓轉換解決方案并不適合，因為其需要更多較大體積的無(wú)源元件，而且通常效率較低。一個(gè)使用4個(gè)開(kāi)關(guān)的單電感解決方案具有滿(mǎn)足這些要求的最大潛能。但是，在一個(gè)簡(jiǎn)單驅動(dòng)器方案中，其在運行中任何時(shí)候都有2個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)在工作，使用這種解決方案不但犧牲了效率，而且還提高了對于電感和開(kāi)關(guān)尺寸的要求，因為存在流經(jīng)這些組件較高的RMS電流。僅有源地驅動(dòng)這些開(kāi)關(guān)的一側，意味著(zhù)總是將該器件以一個(gè)降壓或升壓轉換器來(lái)運行可以實(shí)現最高效率，同時(shí)較低的RSM電流還帶來(lái)了最小的解決方案尺寸。在此情況下，降壓和升壓轉換在兩種拓撲結構均具有最高效率的工作點(diǎn)上得到完成。圖1中效率與升壓（TPS61020）和降壓（TPS62046）轉換器輸入電壓曲線(xiàn)的關(guān)系實(shí)例顯示了這一情況。

　　圖1 升壓（TPS61025）和降壓（TPS62046）轉換器效率曲線(xiàn)與輸入電壓的關(guān)系曲線(xiàn)

　　圖2顯示了效率與一款諸如TPS63001的優(yōu)化的降壓-升壓解決方案輸入電壓的關(guān)系曲線(xiàn)，其顯示了這種控制方法的完美實(shí)施。

　　圖2 降壓-升壓轉換器TPS63000效率與輸入電壓的關(guān)系曲線(xiàn)

　　正如前面所預測的那樣，當對獨立升壓和降壓轉換器的效率曲線(xiàn)進(jìn)行討論時(shí)，其在輸入和輸出電壓接近時(shí)達到最高效率。由于這是最為可能的降壓-升壓運行狀態(tài)，因此TPS63001完美地解決了該應用出現的一些問(wèn)題。正如我們在圖2中看到的一樣，該優(yōu)化控制方案可獲得臨界工作輸入和輸出電壓狀態(tài)下95%范圍內的效率。TPS63001還可以用于延長(cháng)由標準鋰離子電池供電的應用的運行時(shí)間。只要在集成的安全電路允許的范圍，將電池放電至3.0V或者甚至2.5V時(shí)將其完全充電，可以達到這一目標。圖3顯示了使用TPS63000將一節電池放電至2.5V的電源轉換效率。同基于高性能降壓轉換器的電源解決方案（TPS62046）相比，兩個(gè)轉換器架構均使用相同負載的情況下，電池使用時(shí)間可以延長(cháng)15%。

　　圖3降壓-升壓和降壓轉換器在電池放電期間的效率