用全集成降/升壓轉換器延長(cháng)鋰離子電池壽命的設計

引言

　　對于便攜式電源應用而言，要充分利用先進(jìn)電池技術(shù)的小尺寸、高能量密度等優(yōu)點(diǎn)，就必須在整個(gè)電池放電電壓范圍內實(shí)現高效工作。這就對要求3.3V總線(xiàn)電壓的鋰離子電池供電系統提出了嚴峻的挑戰。盡管標準降壓轉換器在將4.2～3.0V鋰離子電池電壓轉換成諸如1.8V的較低輸出電壓時(shí)具有很高的轉換效率，且標準升壓轉換器在將鋰離子電池電壓轉換成諸如5V的更高輸出電壓時(shí)也有很高的轉換效率，但上述兩種轉換器均不是生成常用3.3V總線(xiàn)電壓的最佳解決方案。SEPIC及傳統的降壓-升壓雖然能夠充分利用電池電量，但卻具有效率低、成本高、電路板面積較大及部件數量多等缺點(diǎn)。采用三種配置結構的TPS6300x可以解決這些問(wèn)題。TPS63000具有從1.2V～5.5V的可調輸出范圍。TPS63001及TPS63002的固定輸出電壓分別為3.3V和5.0V。上述產(chǎn)品均采用節省空間的10引腳QFN(DRC)封裝。

TPS63001

　　TI的TPS63001具有部件數最少、電路板面積小、成本較低等特點(diǎn)，且能夠將鋰離子電池輸入電壓高效地轉換為3.3V總線(xiàn)電壓。在一個(gè)3x3毫米QFN封裝中除集成了降壓和升壓兩種功能以外，還集成了開(kāi)關(guān)FET、補償和保護功能等。只需三個(gè)外部部件即可保證工作運行：輸入和輸出電容以及電感。該轉換器的峰值效率為96%（請參見(jiàn)圖1），峰值輸出電流為800mA，其電流足以為大多數便攜式負載供電。1.8～5.5V寬泛的輸入電壓范圍能夠配合許多常見(jiàn)電源工作，如兩節或三節堿性電池、NiMH電池以及3.3V和5V總線(xiàn)。

 
圖1 1.8～5.5V時(shí)的TPS63001效率圖[320mA負載(VOUT=3.3v)]

　　圖2顯示了一款可由單個(gè)鋰離子電池供電的典型3.3V電源。1.5MHz的開(kāi)關(guān)頻率允許使用小型的2.2μH電感器及0603尺寸的小型陶瓷輸入和輸出電容。高效率再加上較少的外部部件數量將總體解決方案尺寸降至了只有6x6毫米大?。ㄕ垍⒁?jiàn)圖3）。

圖2 典型的應用電路

圖3 6x6毫米板級空間內的典型布局

高級控制拓撲結構實(shí)現了效率的最大化

　　TPS6300x基于如圖4所示的標準H橋接降壓-升壓功率級，同時(shí)包含了與單個(gè)電感連接的降壓和升壓兩種開(kāi)關(guān)FET配置結構。與連續同時(shí)開(kāi)關(guān)四個(gè)FET的標準降壓-升壓模式不同，TPS6300x采用專(zhuān)有調制器設計，每次只開(kāi)關(guān)其中兩個(gè)FET，這種控制機制顯著(zhù)降低了不必要的開(kāi)關(guān)損耗。TPS6300x的降壓或升壓模式的工作效率高于傳統的降壓-升壓模式工作效率，從而進(jìn)一步降低了功率損耗。

 
圖4 電源部分的結構圖

　　當鋰離子電池放電至并低于3.3V時(shí)，降壓-升壓轉換器必須要從降壓模式轉換為升壓模式。在該轉換點(diǎn)，許多降壓-升壓控制機制會(huì )出現效率下降、電源抖動(dòng)或輸出電壓不穩的情況。TPS6300x可根據需要在降壓和升壓模式間以逐脈沖方式進(jìn)行無(wú)縫轉換，因而能夠在降壓和升壓范圍內提供恒定的PWM開(kāi)關(guān)，而不會(huì )在兩個(gè)模式間產(chǎn)生迭加或停滯時(shí)間。

更多特性

　　TPS6300x還包含其他集成特性，這些特性可增強便攜式應用中的使用體驗，如極低靜態(tài)電流（不到50μA），在輕負載情況下仍保持高效率的用戶(hù)可選的節電(PS)模式，以及有助于最小化系統噪聲的外部同步等。

　　平均電流模式控制拓撲在降壓和升壓模式下均能提供快速的瞬態(tài)響應和低輸出紋波。在輸入與負載范圍內，輸出穩壓容差為±1%。內部補償針對具有10至22μF輸出電容的2.2～4.7μH外部電感進(jìn)行了優(yōu)化。

　　短路保護起到了返送電流限制的作用，當輸出電壓下降3%時(shí)，輸出限流最大值便從1.7A降至800mA。

　　這就降低了輸出過(guò)載情況下的器件功耗。過(guò)載清除后即可恢復正常工作。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠對諸如超大電容等類(lèi)型的大輸出電容器進(jìn)行充電。

　　PS模式特性即使是在低于300mA的輕負載下也能保持非常高的效率。在PS模式下，開(kāi)關(guān)時(shí)間只能保證將輸出電壓升至略高于輸出電壓設定點(diǎn)，隨后則停止開(kāi)關(guān)直至輸出電壓再次降至設定點(diǎn)以下。這種“先開(kāi)再關(guān)”的開(kāi)關(guān)模式在輕負載下可提供極高的效率。

其他應用

　　TPS6300x還能在電流調節模式下驅動(dòng)白光LED(WLED)，即在WLED回路中用電阻替代輸出分壓網(wǎng)絡(luò )。由于WLED的典型正向壓降為4.2～3.5V，在大多數電源拓撲中用鋰離子電池供電都有問(wèn)題，因為電源需要同時(shí)對其輸出電壓進(jìn)行降壓和升壓。TPS6300x的降壓-升壓功能則很好地解決了這個(gè)問(wèn)題，并能夠輕松地為照明燈或閃光燈應用提供500mA的電流。

結論

　　TPS6300x是將鋰離子電池電壓轉換為3.3V總線(xiàn)電壓的理想解決方案。其具備效率高、電路板面積小、成本低、從降壓模式到升壓模式的無(wú)縫轉換等特點(diǎn)，是幫助設計工程師完成高性能、快速設計的理想選擇。

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