為便攜式系統選擇電源拓撲解決方案的分析和對比

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。