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便携式系统电源拓扑方案选择的分析

便携式系统电源拓扑方案选择的分析

本文将讨论各种电源拓扑,尤其是在将锂离子电池电压转换为3.3V电压 电压轨(大多数便携式设备的电源电压)时的利弊。本文还将说明降压/升压转换器的不同应用,并解释降压/升压转换器的解决方案需“量身定做”的原因。从图1可以看出,将锂离子电池电压转换为3.3V电压轨的设计很有挑战。在充满电的情况下,典型的锂离子电池放电曲线的起始电压为4.2V。X轴起始点为“-5分钟”,对应的电压为电池充满电时的开路电压
本文将讨论各种电源拓扑,尤其是在将锂离子电池电压转换为3.3V电压 电压轨(大多数便携式设备的电源电压)时的利弊。本文还将说明降压/升压转换器的不同应用,并解释降压/升压转换器的解决方案需“量身定做”的原因。

从图1可以看出,将锂离子电池电压转换为3.3V电压轨的设计很有挑战。在充满电的情况下,典型的锂离子电池放电曲线的起始电压为4.2V。X轴起始点为“-5分钟”,对应的电压为电池充满电时的开路电压。在“0分钟”时,电池接入负载,由于内部阻抗以及保护电路的作用,电压开始下降。电池电压缓慢降至约3.4V,然后电压开始快速下降,原因是放电周期已接近终点。为充分利用电池储存的电量,3.3V电压轨需要在放电周期的大部分时间里使用步降转换器,而在放电周期的剩余时间里使用升压转换器。



图 1:1650mA-hr 18650 锂离子电池放电曲线。

锂离子电池电压如何有效生成3.3V电压轨的问题由来已久,其解决方案也是多种多样。本文讨论几个常用解决方案,包括级联降压与升压、降压/升压、降压以及LDO电源拓扑等,并讨论每种设计方案的利弊,以及系统运行时间的测量与对比。

级联降压与升压转换器解决方案

级联降压与升压转换器包含降压转换器和升压转换器两个独立且分离的转换器。降压转换器将电压稳定在中电压(如1.8V),而升压转换器则将中电压升高至3.3V。由于能够100%地利用电池电量,所以该架构非常适用于要求较低电压轨的系统。但由于采用了两段转换机制,从效率的角度考虑,这并不是最佳解决方案。

有效的功率转换效率是降压稳压器效率与升压稳压器效率之积。工作在上述电压条件下,降压与升压转换器的典型效率值均为90%,因此3.3V转换器的有效功率转换效率为90%×90%=81%。由于该架构包含两个独立的转换器,所以元件数量与系统体积均增加了,不但难以应用在小型便携式产品中,而且还增加了成本。

独立的降压转换器解决方案

采用降压转换器也能使锂离子电池电压转换成3.3V电压,但该方案常常被忽略,并未得到广泛应用。设计工程师在观察电池放电曲线(如图1所示)后一般会放弃这个解决方案,这是因为从电池完全放电曲线(如图1所示)可看出,降压稳压器无法生成3.3V电压轨。当降压转换器的输入电压下降到接近输出电压时,很多降压转换器会进入100%占空比模式。在此条件下,转换器停止转换,将输入电压直接进行输出。在100%占空比模式下,输出电压等于输入电压减去转换器的压降。该压降由(MOSFET导通电阻、输出电感的直流电阻及负载电流决定,这样便设定了仍处于稳压范围的最小电池电压。假设系统认为3.3V电压轨下降5%仍处于稳压范围,则用下面等式可计算出系统工作的最小电池电压。

Vbattery_min=Vout_nom×0.95+(Rdson+RL)×Iout(1)

其中:Vout_nom为额定值3.3V,Rdson为功率MOSFET导通电阻,RL为输出电感dc电阻,Iout为转换器3.3V时的输出电流。

当电池电压降至Vbattery_min时,系统在低于最小容限时必须关闭,以避免运行在3.3V电压轨上而损坏数据。即使电池仍剩余5~15%电能,系统也有可能关闭。系统关闭前还剩余多少电池电能多少取决于元件电阻、负载电流、电池的新旧以及环境温度等多种因素。

大多数设计工程师会因为这个原因而放弃采用单独的降压拓扑,但仔细研究系统实际运行时间就会发现,标准降压/升压、级联降压以及升压拓扑的转换效率比单独的降压转换器的效率低得多。尽管这些拓扑能充分利用电池电量,但效率却远低于降压转换器。很多情况下,单独降压转换器的运行时间比其他两种拓扑都长。直到2005年,全集成降压转换器才被视为生成3.3V电压轨的最佳选择。

低压降稳压器解决方案

另一种不常用的解决方案是LDO,与“单独的降压”方案类似,LDO无法完全利用全部电池电量,原因是只有当输入电压大于输出电压与LDO压降之和时,才能起到稳压作用。如果LDO的压降为0.15V,则当电池电压低于3.3V+0.15V=3.45V时,3.3V输出电压开始下降。由于采用这个解决方案而无法充分利用的电池电能,有可能比单独的压降解决方案多得多。尽管有这样的缺点,但LDO在一定的环境下也有优势。

通常情况下LDO解决方案的尺寸最小,因此当主系统对空间有严格要求时,它是一种理想选择。LDO解决方案的成本通常也是最低的,因此非常适用于低成本应用。众多设计工程师因LDO低效而放弃采用该方案,但是仔细研究后可以发现,该应用中的效率还是不错的:



当充满电的锂离子电池的起始电压为4.2V时,LDO的初始效率为78%,且其效率随电池电压的降低而上升。降压/升压转换器方案

降压/升压拓扑的应用非常广泛。这种拓扑结合了上述其他解决方案的所有优点。顾名思义,该拓扑同时具有降压、升压两种功能,因此可以100%利用电池电量。

降压/升压转换器的部署方式决定了其具有极高的转换效率。例如,德州仪器(TI)全集成降压/升压转换器TPS63000在从3.6V降至3.3V过程中,转化效率达到了95%左右。高转换率意味着可以充分利用电池电量,从而实现最长运行时间。与降压解决方案的元件数量与体积相比,集成了功率开关、补偿元件以及反馈电路的全集成降压/升压转换器均不处于劣势,而且外部组件仅需输入电容、输出电容和电感。高度集成的单芯片IC解决方案有助于降低系统总体成本。
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