便攜式系統(tǒng)電源拓撲方案選擇的分析
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降壓/升壓轉(zhuǎn)換器方案
降壓/升壓拓撲的應(yīng)用非常廣泛。這種拓撲結(jié)合了上述其他解決方案的所有優(yōu)點。顧名思義，該拓撲同時具有降壓、升壓兩種功能，因此可以100%利用電池電量。
降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的部署方式?jīng)Q定了其具有極高的轉(zhuǎn)換效率。例如，德州儀器(TI)全集成降壓/升壓轉(zhuǎn)換器TPS63000在從3.6V降至3.3V過程中，轉(zhuǎn)化效率達到了95％左右。高轉(zhuǎn)換率意味著可以充分利用電池電量，從而實現(xiàn)最長運行時間。與降壓解決方案的元件數(shù)量與體積相比，集成了功率開關(guān)、補償元件以及反饋電路的全集成降壓/升壓轉(zhuǎn)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(tǒng)總體成本。
降壓/升壓功率級如圖2所示，該拓撲由帶2個功率開關(guān)的降壓功率級和帶2個功率開關(guān)的升壓功率級組成，這兩個功率級通過功率電感器相連。這些開關(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 個功率開關(guān)的降壓功率級和帶 2 個功率開關(guān)的升壓功率級組成。
降壓/升壓轉(zhuǎn)換器不盡相同
便攜式應(yīng)用對降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的需求由來已久，但對其尺寸與效率的要求通常非常嚴(yán)格。直到最近，半導(dǎo)體封裝技術(shù)才發(fā)展到可以將4個MOSFET開關(guān)及相應(yīng)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。現(xiàn)有3款標(biāo)準(zhǔn)降壓/升壓轉(zhuǎn)化器已供貨，第一款在每個開關(guān)周期中4個MOSFET開關(guān)均處于工作狀態(tài)，此類工作模式可以產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的降壓/升壓波形。仔細分析這些波形可以發(fā)現(xiàn)，通過電感器和MOSFET的有效電流(RMS)比標(biāo)準(zhǔn)降壓或升壓轉(zhuǎn)換器高很多，這將導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)損耗及開關(guān)損耗增加。同步運行4個開關(guān)也會提高門驅(qū)動損耗，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開關(guān)周期只運行2個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(dāng)Vin大于Vout時，轉(zhuǎn)換器打開Q4并關(guān)閉Q3，然后將Q1及Q2作為標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器使用；當(dāng)Vin小于Vout時，控制電路打開Q2并關(guān)閉Q1，然后將Q3及Q4作為標(biāo)準(zhǔn)升壓轉(zhuǎn)換器使用。但這種控制模式在降壓與升壓模式間的轉(zhuǎn)換區(qū)會出現(xiàn)一些運行和控制問題。為解決這些問題，可在轉(zhuǎn)換過程采用標(biāo)準(zhǔn)降壓/升壓模式。因為在標(biāo)準(zhǔn)降壓/升壓工作模式下，所有4個開關(guān)均處于工作狀態(tài)，所以能夠解決這些控制問題。但開關(guān)損耗與RMS電流的提高使得轉(zhuǎn)換區(qū)中的效率驟降，而且這個效率驟降區(qū)接近電池電壓(大部分電池電量在此時提供)，所以在電池放電曲線的大部分區(qū)域中，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換區(qū)域，所以在性能與效率方面得以顯著提高。TI的TPS63000降壓/升壓轉(zhuǎn)換器包含先進的控制拓撲，從而能夠解決標(biāo)準(zhǔn)降壓/升壓轉(zhuǎn)換器所面臨的各種問題。無論運行于何種模式下，TPS63000在每個開關(guān)周期僅有兩個開關(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過程中保持高效率。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個外部組件便可運行，從而實現(xiàn)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時的放電曲線與運行時間的對應(yīng)關(guān)系。這些解決方案包括級聯(lián)降壓與升壓轉(zhuǎn)換器、單獨的降壓轉(zhuǎn)換器、LDO轉(zhuǎn)換器以及TPS63000降壓/升壓轉(zhuǎn)換器。圖中采用具有1650mAHr容量且充滿電的18650鋰離子電池。負載電流為500mA，當(dāng)3.3V電壓軌電壓低于最初設(shè)定值5％時系統(tǒng)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(dǎo)致數(shù)據(jù)偏差。和我們預(yù)期的一樣，LDO的運行時間較短，僅為190分鐘，而降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的運行時間最長，達到了203分鐘，級聯(lián)降壓/升壓解決方案的運行時間最短，僅為175分鐘。表1顯示了真實系統(tǒng)放電曲線的關(guān)鍵區(qū)域比較。
其它需要考慮的因素
圖3數(shù)據(jù)是在恒定直流負載條件下測得，這是性能測試的通用做法，但卻與實際應(yīng)用有區(qū)別。為使便攜式應(yīng)用的運行時間長，只有在需要時才連接負載，在不需要時應(yīng)斷開負載。顯示器、處理器及功率放大器是在系統(tǒng)電池上產(chǎn)生明顯瞬態(tài)電流的主用來源，它們的負載變動幅度將會由于電池內(nèi)部源電阻、保護電路及分布總線阻抗而導(dǎo)致電池總線上的電壓降低。若這些負載變動幅度發(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(dǎo)致系統(tǒng)提前關(guān)機，而降壓/升壓解決方案則會度過瞬態(tài)繼續(xù)運行，從而延長系統(tǒng)運行時間。
實驗室測試過程中并不明顯的負載瞬態(tài)電流在實際應(yīng)用中卻異常明顯，原因是鋰離子電池經(jīng)過150個充電/放電周期后，其內(nèi)部阻抗增加了一倍；當(dāng)工作溫度在0?C～25?C之間，其內(nèi)部阻抗也會增加一倍。圖4顯示了負載瞬態(tài)電流條件下運行的鋰電池的總線電壓。降壓及降壓/升壓轉(zhuǎn)換器具有250mA的恒定負載電流，從而使電池總線負載500mA的瞬態(tài)電流。降壓轉(zhuǎn)換器輸出下降至無法穩(wěn)壓時會引起系統(tǒng)關(guān)機。TPS63000降壓/升壓轉(zhuǎn)換器則可以度過瞬態(tài)正常運行，且輸出電壓沒有變化。
本文小結(jié)
鋰離子電池電壓轉(zhuǎn)換為3.3V的設(shè)計方案眾多，設(shè)計工程師可以根據(jù)系統(tǒng)特定要求選擇最佳解決方案。降壓/升壓轉(zhuǎn)換器適用于大多數(shù)系統(tǒng)，原因是它具有最長的運行時間、最小的尺寸以及相對較低的成本，是大多數(shù)便攜式應(yīng)用的最佳整體解決方案。
選擇降壓/升壓轉(zhuǎn)換器時必須清楚各種降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的特性并不相同，一定要注意運行模式、整個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://www.104case.com/article/177738.htm
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