本文將討論各種電源拓撲，尤其是在將鋰離子電池電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓 電壓軌(大多數(shù)便攜式設(shè)備的電源電壓)時的利弊,。本文還將說明降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的不同應(yīng)用,，并解釋降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的解決方案需“量身定做”的原因。

　　從圖1可以看出,，將鋰離子電池電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓軌的設(shè)計很有挑戰(zhàn),。在充滿電的情況下，典型的鋰離子電池放電曲線的起始電壓為4.2V,。X軸起始點為“-5分鐘”,，對應(yīng)的電壓為電池充滿電時的開路電壓。在“0分鐘”時,，電池接入負載,，由于內(nèi)部阻抗以及保護電路的作用，電壓開始下降。電池電壓緩慢降至約3.4V,，然后電壓開始快速下降,，原因是放電周期已接近終點。為充分利用電池儲存的電量,，3.3V電壓軌需要在放電周期的大部分時間里使用步降轉(zhuǎn)換器,，而在放電周期的剩余時間里使用升壓轉(zhuǎn)換器。

 　　圖 1：1650mA-hr 18650 鋰離子電池放電曲線,。

　　鋰離子電池電壓如何有效生成3.3V電壓軌的問題由來已久,，其解決方案也是多種多樣。本文討論幾個常用解決方案,，包括級聯(lián)降壓與升壓,、降壓/升壓、降壓以及LDO電源拓撲等,，并討論每種設(shè)計方案的利弊,，以及系統(tǒng)運行時間的測量與對比。

　　級聯(lián)降壓與升壓轉(zhuǎn)換器解決方案

　　級聯(lián)降壓與升壓轉(zhuǎn)換器包含降壓轉(zhuǎn)換器和升壓轉(zhuǎn)換器兩個獨立且分離的轉(zhuǎn)換器,。降壓轉(zhuǎn)換器將電壓穩(wěn)定在中電壓(如1.8V),，而升壓轉(zhuǎn)換器則將中電壓升高至3.3V。由于能夠100%地利用電池電量,，所以該架構(gòu)非常適用于要求較低電壓軌的系統(tǒng),。但由于采用了兩段轉(zhuǎn)換機制，從效率的角度考慮,，這并不是最佳解決方案,。

　　有效的功率轉(zhuǎn)換效率是降壓穩(wěn)壓器效率與升壓穩(wěn)壓器效率之積。工作在上述電壓條件下,，降壓與升壓轉(zhuǎn)換器的典型效率值均為90%,，因此3.3V轉(zhuǎn)換器的有效功率轉(zhuǎn)換效率為90%×90%=81%。由于該架構(gòu)包含兩個獨立的轉(zhuǎn)換器,，所以元件數(shù)量與系統(tǒng)體積均增加了,，不但難以應(yīng)用在小型便攜式產(chǎn)品中，而且還增加了成本,。

　　獨立的降壓轉(zhuǎn)換器解決方案

　　采用降壓轉(zhuǎn)換器也能使鋰離子電池電壓轉(zhuǎn)換成3.3V電壓,，但該方案常常被忽略，并未得到廣泛應(yīng)用,。設(shè)計工程師在觀察電池放電曲線(如圖1所示)后一般會放棄這個解決方案,，這是因為從電池完全放電曲線(如圖1所示)可看出，降壓穩(wěn)壓器無法生成3.3V電壓軌,。當(dāng)降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓下降到接近輸出電壓時,，很多降壓轉(zhuǎn)換器會進入100%占空比模式,。在此條件下，轉(zhuǎn)換器停止轉(zhuǎn)換,，將輸入電壓直接進行輸出,。在100%占空比模式下，輸出電壓等于輸入電壓減去轉(zhuǎn)換器的壓降,。該壓降由(MOSFET導(dǎo)通電阻,、輸出電感的直流電阻及負載電流決定，這樣便設(shè)定了仍處于穩(wěn)壓范圍的最小電池電壓,。假設(shè)系統(tǒng)認為3.3V電壓軌下降5％仍處于穩(wěn)壓范圍,，則用下面等式可計算出系統(tǒng)工作的最小電池電壓。

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

　　其中：Vout_nom為額定值3.3V,，Rdson為功率MOSFET導(dǎo)通電阻，RL為輸出電感dc電阻,，Iout為轉(zhuǎn)換器3.3V時的輸出電流,。

　　當(dāng)電池電壓降至Vbattery_min時，系統(tǒng)在低于最小容限時必須關(guān)閉,，以避免運行在3.3V電壓軌上而損壞數(shù)據(jù),。即使電池仍剩余5～15％電能，系統(tǒng)也有可能關(guān)閉,。系統(tǒng)關(guān)閉前還剩余多少電池電能多少取決于元件電阻,、負載電流、電池的新舊以及環(huán)境溫度等多種因素,。

　　大多數(shù)設(shè)計工程師會因為這個原因而放棄采用單獨的降壓拓撲,，但仔細研究系統(tǒng)實際運行時間就會發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)降壓/升壓,、級聯(lián)降壓以及升壓拓撲的轉(zhuǎn)換效率比單獨的降壓轉(zhuǎn)換器的效率低得多,。盡管這些拓撲能充分利用電池電量，但效率卻遠低于降壓轉(zhuǎn)換器,。很多情況下,，單獨降壓轉(zhuǎn)換器的運行時間比其他兩種拓撲都長。直到2005年,，全集成降壓轉(zhuǎn)換器才被視為生成3.3V電壓軌的最佳選擇,。

　　低壓降穩(wěn)壓器解決方案

　　另一種不常用的解決方案是LDO，與“單獨的降壓”方案類似,，LDO無法完全利用全部電池電量,，原因是只有當(dāng)輸入電壓大于輸出電壓與LDO壓降之和時，才能起到穩(wěn)壓作用,。如果LDO的壓降為0.15V,，則當(dāng)電池電壓低于3.3V+0.15V=3.45V時,，3.3V輸出電壓開始下降。由于采用這個解決方案而無法充分利用的電池電能,，有可能比單獨的壓降解決方案多得多,。盡管有這樣的缺點，但LDO在一定的環(huán)境下也有優(yōu)勢,。

　　通常情況下LDO解決方案的尺寸最小,，因此當(dāng)主系統(tǒng)對空間有嚴(yán)格要求時，它是一種理想選擇,。LDO解決方案的成本通常也是最低的,，因此非常適用于低成本應(yīng)用。眾多設(shè)計工程師因LDO低效而放棄采用該方案,，但是仔細研究后可以發(fā)現(xiàn),，該應(yīng)用中的效率還是不錯的：

　　當(dāng)充滿電的鋰離子電池的起始電壓為4.2V時，LDO的初始效率為78％,，且其效率隨電池電壓的降低而上升,。

　　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?，F(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,。