降壓-升壓型控制器延長手持式設(shè)備的電池工作時間

背景

在便攜式產(chǎn)品中使用小型、高能量密度現(xiàn)代電池技術(shù)的電源應(yīng)用必須在整個電池放電和再充電電壓范圍內(nèi)高效率工作。這給需要3.3V總線電壓、由鋰離子和鋰聚合物電池供電的系統(tǒng)帶來了設(shè)計挑戰(zhàn)。尤其是3.3V總線電壓需要提供大于0.5A的負載電流時，更是這樣。雖然降壓型轉(zhuǎn)換器擅長以高效率將2.7～4.2V的鋰離子電池電壓轉(zhuǎn)換成較低的輸出電壓(如1.8V)，升壓型轉(zhuǎn)換器能高效率地產(chǎn)生較高的輸出電壓(如5V)，但是這兩種轉(zhuǎn)換器都不能始終產(chǎn)生3.3V的總線電壓。單端主電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)，級聯(lián)一個升壓和降壓型轉(zhuǎn)換器等拓撲能利用全部電池電量，但是受到低效率、高成本、占板面積增加、器件數(shù)較多和設(shè)計復(fù)雜性高等缺點的困擾。

單或兩節(jié)鋰離子電池通常用5～9V的交流適配器充電。能夠讓DC/DC轉(zhuǎn)換器直接用交流適配器取代電池來工作，縮短電池充電時間。當然，這要求轉(zhuǎn)換器不僅能夠在最低的電池輸入電壓下工作，而且還能夠用升高的輸入電壓工作。傳統(tǒng)上，由電池供電的手持式設(shè)備直接從電池吸取功率，甚至在電池充電時也一樣。這種類型的DC/DC轉(zhuǎn)換器還需要非常低的靜態(tài)電流，以在備用或空閑模式下節(jié)省電池能量。

同步降壓-升壓型控制器是理想解決方案

為由單節(jié)鋰離子電池供電的手持式設(shè)備中提供3.3V電源軌是個復(fù)雜問題，很多公司都提供了解決方案，凌力爾特公司的LTC3785同步降壓-升壓型開關(guān)穩(wěn)壓DC/DC控制器就是其中之一。其專有的降壓-升壓拓撲僅需要單個電感器，就能用高于、等于或低于輸出電壓的輸入電壓以高效率產(chǎn)生固定輸出電壓。LTC3785以2.7～10V的輸入和輸出電壓工作，非常適用于單節(jié)或兩節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池，或多節(jié)堿性鎳氫金屬、鎳鎘或堿性電池。這個高度集成的控制器僅使用很少的纖巧外部組件，具有很多可編程功能，如軟啟動、開關(guān)頻率和限流門限電壓。

效率曲線如圖1所示的電路在同步、4開關(guān)降壓-升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器中采用LTC3785控制器，并用2.7～10V輸入電壓、以高達96%的效率產(chǎn)生3.3V/3A固定輸出。LTC3785 提供全部N溝道MOSFET柵極驅(qū)動，為使用低RDS(ON)單封裝多電源開關(guān)技術(shù)提供了方便。其專有拓撲和控制架構(gòu)利用MOSFET的RDS來檢測正向和反向限流，實現(xiàn)無與倫比的高效率。在想要提高限流準確度時，可以使用檢測電阻。另外，LTC3785能以突發(fā)模式(Burst Mode)工作，將輕負載時的靜態(tài)電流降至低于100μA，這對延長便攜式應(yīng)用的電池工作時間是至關(guān)重要的。LTC3785在停機時還具有真正輸出斷接能力，確保電池與系統(tǒng)負載的斷開。

圖1 降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器原理圖及其效率曲線

先進的控制拓撲最大限度提高效率

LTC3785基于標準H橋式降壓-升壓功率級，如圖2所示。它同時含有降壓和升壓開關(guān) MOSFET，這些MOSFET連接到單個電感器上。與不斷地同時開關(guān)所有4個MOSFET的標準降壓-升壓模式不同，LTC3785采用專有設(shè)計，每次只開關(guān)兩個MOSFET。很多降壓-升壓控制電路在轉(zhuǎn)換點都有效率下降、電源抖動或輸出電壓不穩(wěn)定問題。然而，LTC3785在降壓、降壓-升壓和升壓工作區(qū)之間無縫轉(zhuǎn)換，在所有工作模式下都保持低噪聲性能。這個控制電路還極大地降低了不必要的開關(guān)和傳導(dǎo)損耗，最大限度地提高了轉(zhuǎn)換器的效率。

圖2 電源部分方框圖和工作模式

工作模式

輸入電壓高于輸出電壓時，該轉(zhuǎn)換器以降壓模式工作，開關(guān)A和B轉(zhuǎn)換輸入電壓，開關(guān)D保持接通，L1連接到輸出(見圖2)。隨著輸入電壓降低并接近輸出電壓，該轉(zhuǎn)換器接近降壓模式工作的最大占空比，電橋的升壓部分開始開關(guān)，進入降壓-升壓或4開關(guān)工作區(qū)。隨著輸入電壓進一步降低，該轉(zhuǎn)換器進入升壓區(qū)。開關(guān)A以最小升壓占空比保持接通，電感器連接到輸入，開關(guān)C和D在輸出電容器和地之間轉(zhuǎn)換電感器的輸出側(cè)，作為同步升壓轉(zhuǎn)換器工作。

實現(xiàn)更高靈活性的其他功能

LTC3785還有其他一些功能可以提高其在便攜式應(yīng)用中的可用性，例如，需要極低靜態(tài)電流以延長電池工作時間。就這類便攜式應(yīng)用而言，該器件能夠配置成以突發(fā)模式工作，以延長電池工作時間。在突發(fā)模式時，LTC3785向輸出提供能量，直到輸出電壓達到穩(wěn)定狀態(tài)。達到穩(wěn)定狀態(tài)以后，該器件被置于休眠狀態(tài)，對外部MOSFET的驅(qū)動被關(guān)斷，只有關(guān)鍵電路保持有效，LTC3785消耗不到100μA電流。這期間負載電流由輸出電容器提供。當輸出電壓下降到低于較低的穩(wěn)壓邊沿時，該器件“醒來”，并再次開始進行開關(guān)操作，重新給輸出電容器充電。

通過檢測和限制MOSFET A從輸入電源吸取的輸入電流，LTC3785還提供過載和短路保護。如果達到了用戶編程限流值，那么連接到RUN/SS引腳的軟啟動電容器就被再次用做故障定時器并開始放電。如果限流狀態(tài)持續(xù)足夠長時間，該轉(zhuǎn)換器將被禁止，同時啟動復(fù)位定時器以重啟轉(zhuǎn)換器。如果LTC3785不能重啟，而且過載狀態(tài)持續(xù)，那么這種工作模式將繼續(xù)限制總的功耗。通過向RUN/SS引腳提供一個小的電流，還可以讓該器件鎖斷而不是自動重啟。由于外部MOSFET電阻變化，MOSFET 漏源檢測一般不是非常準確。如果需要更嚴格的限流準確度，可以增加電流檢測電阻。LTC3785還可以編程為實現(xiàn)全D級工作，以允許轉(zhuǎn)換器提供和吸收等于限流設(shè)置點的電流。這是通過確定CCM引腳上的高邏輯電平信號實現(xiàn)的。

內(nèi)部P溝道低壓差穩(wěn)壓器用輸入電源電壓在VCC引腳產(chǎn)生4.35V電壓。這個電壓為驅(qū)動器和LTC3785內(nèi)部電路供電，可以提供100mA峰值電流，該電流必須用一個最小值為4.7μF的電容器旁路到地。VCC穩(wěn)壓器可以通過肖特基二極管連接到VOUT，以提供更高的柵極驅(qū)動電流。

最后，LTC3785含有實現(xiàn)故障保護的過壓和欠壓功能以及瞬態(tài)限制。如果檢測到輸出電壓比目標穩(wěn)壓點高出9.5%，那么開關(guān)動作停止。然后，輸出電壓將降至更安全的水平，因為沒有能量提供給輸出。一旦輸出充分下降，開關(guān)動作將重新開始。在過壓情況下，該集成電路強制工作在固定頻率模式，而突發(fā)模式工作被禁止。

N溝道功率MOSFET選擇和解決方案尺寸

LTC3785需要4個外部N溝道功率MOSFET，兩個用于頂部開關(guān)，另外兩個用于底部開關(guān)。重要參數(shù)是VBR(DSS)、VGS(TH)、RDS(ON)和IDS(MAX)。驅(qū)動電壓用4.35V VCC電源設(shè)置。就大多數(shù)輸入電壓預(yù)計低于5V的應(yīng)用而言，可以采用低邏輯柵極門限MOSFET。另外，典型LTC3785 DC/DC轉(zhuǎn)換器全部采用陶瓷輸入和輸出電容器。一個10W輸出的完整電路占板面積不到2cm2cm，電感器是最高的器件，高度為0.32cm。