便攜式系統(tǒng)選擇電源拓撲方案的分析及對比

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。