用全集成降/升壓轉換器延長鋰離子電池壽命的設計

引言

　　對于便攜式電源應用而言，要充分利用先進電池技術的小尺寸、高能量密度等優點，就必須在整個電池放電電壓范圍內實現高效工作。這就對要求3.3V總線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。采用三種配置結構的TPS6300x可以解決這些問題。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，且能夠將鋰離子電池輸入電壓高效地轉換為3.3V總線電壓。在一個3x3毫米QFN封裝中除集成了降壓和升壓兩種功能以外，還集成了開關FET、補償和保護功能等。只需三個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。

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

　　圖2顯示了一款可由單個鋰離子電池供電的典型3.3V電源。1.5MHz的開關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毫米大小（請參見圖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，同時包含了與單個電感連接的降壓和升壓兩種開關FET配置結構。與連續同時開關四個FET的標準降壓-升壓模式不同，TPS6300x采用專有調制器設計，每次只開關其中兩個FET，這種控制機制顯著降低了不必要的開關損耗。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，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，許多降壓-升壓控制機制會出現效率下降、電源抖動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行無縫轉換，因而能夠在降壓和升壓范圍內提供恒定的PWM開關，而不會在兩個模式間產生迭加或停滯時間。

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，如極低靜態電流（不到50μA），在輕負載情況下仍保持高效率的用戶可選的節電(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外部電感進行了優化。

　　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，輸出限流最大值便從1.7A降至800mA。

　　這就降低了輸出過載情況下的器件功耗。過載清除后即可恢復正常工作。這種方法的優點是能夠對諸如超大電容等類型的大輸出電容器進行充電。

　　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，開關時間只能保證將輸出電壓升至略高于輸出電壓設定點，隨后則停止開關直至輸出電壓再次降至設定點以下。這種“先開再關”的開關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白光LED(WLED)，即在WLED回路中用電阻替代輸出分壓網絡。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題，因為電源需要同時對其輸出電壓進行降壓和升壓。TPS6300x的降壓-升壓功能則很好地解決了這個問題，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縫轉換等特點，是幫助設計工程師完成高性能、快速設計的理想選擇。

相關網站

www.ti.com.cn/power
http://focus.ti.com.cn/cn/docs/prod/folders/print/tps63000.html