同步升壓轉(zhuǎn)換器可延長便攜式設(shè)備中的電池壽命

引言

在便攜式設(shè)備中，升壓型轉(zhuǎn)換器經(jīng)常被用于從較低的電池輸入電壓產(chǎn)生較高的輸出電壓。常見的電池配置包括 2~3 節(jié)堿性電池或鎳氫 (NiMH) 電池，或者越來越多的是鋰離子電池，它們可產(chǎn)生一個(gè)介于 1.8V 和 4.8V 之間的典型輸入電壓。

圖 1 中所示的 12V 輸出轉(zhuǎn)換器專為依靠任何典型的小型電池電源運(yùn)行而設(shè)計(jì)。這款設(shè)計(jì)以 LTC?3122升壓型轉(zhuǎn)換器為中心，該器件能夠利用一個(gè) 1.8V 至 5.5V 輸入產(chǎn)生一個(gè)高達(dá) 15V 的穩(wěn)定輸出。LTC3122 包含一個(gè) 2.5A 內(nèi)部開關(guān)電流限值和一組用于應(yīng)對苛刻升壓應(yīng)用的完整功能，包括開關(guān)頻率編程、欠壓閉鎖、突發(fā)模式 (Burst Mode?) 操作或連續(xù)開關(guān)模式、以及真正的輸出斷接。集成型同步整流器在電感器電流接近零時(shí)關(guān)斷，因而可防止反向電感器電流并最大限度地減少輕負(fù)載時(shí)的功率損耗。

圖 1：1MHz 工作頻率和小型電感器使這款轉(zhuǎn)換器適合于要求苛刻的便攜式電池供電型應(yīng)用

在那些具有長空閑周期的應(yīng)用中，這種獨(dú)特的輸出斷接功能特別重要。當(dāng)空閑時(shí)，該器件可關(guān)斷，并把輸出電容器置于滿充電和待用狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)快速接通。在停機(jī)模式中，此器件從輸入電源吸收 1μA 的電流。

由于便攜式設(shè)備中所使用的電池通常都是盡可能地小，因此它們在重負(fù)載條件下呈現(xiàn)高的內(nèi)部阻抗，特別是在接近其放電周期末端的時(shí)候。與其他需要苦苦應(yīng)對啟動時(shí)之高源阻抗的升壓型轉(zhuǎn)換器不同，LTC3122 可避免啟動時(shí)的高浪涌電流。1.8V~5.5V 輸入至 12V 輸出升壓型轉(zhuǎn)換器

圖 1 中的電路專為實(shí)現(xiàn)高效率和小尺寸而設(shè)計(jì)。LTC3122 工作于 1MHz 頻率以最大限度地減小濾波電容器和升壓電感器的尺寸，并在輕負(fù)載下采用突發(fā)模式操作來保持高效率，如圖 2 所示。在負(fù)載較重的情況下，該轉(zhuǎn)換器可工作于恒定頻率模式，從而降低了輸入和輸出紋波。恒定頻率操作可產(chǎn)生較低的 EMI，而且較容易濾除。

圖 2：LTC3122 升壓型轉(zhuǎn)換器的高效率延長了便攜式應(yīng)用中的電池壽命

以相對較低的開關(guān)頻率來運(yùn)行 LTC3122 可提高效率。圖 3 示出了將開關(guān)頻率從 1MHz 降至 500kHz 所產(chǎn)生的效果。

圖 3：工作頻率對效率的影響極大。在 100mA 負(fù)載條件下，通過把開關(guān)頻率從 1MHz 降至 500kHz 可以獲得 4% 的效率提升通過增大電感器尺寸能夠進(jìn)一步地改善效率。如圖 4 所示，用一個(gè) 7mm x 7mm 電感器 (由 Wurth 公司提供的 744-777-910) 替代 4mm x 4mm 升壓電感器 (XAL4030-472) 可實(shí)現(xiàn)效率的提升。10mA 電流條件下的效率達(dá) 90%，比圖 3 所示的效率高出 5%。

圖 4：當(dāng)采用較低的開關(guān)頻率和一個(gè)較大的電感器時(shí)，可使用一個(gè)較小的電池。在 1mA 至 10mA 負(fù)載范圍內(nèi)，高達(dá) 30% 的效率提升幅度 (在 PWM 模式中) 能夠顯著改善在輕負(fù)載下運(yùn)作的應(yīng)用。

在考慮電感器尺寸時(shí)應(yīng)兼顧電池尺寸。若使用一個(gè)相對較小的電感器在高頻運(yùn)行，則或許導(dǎo)致必需采用一個(gè)容量相應(yīng)較高的電池，以在相對較低的效率下實(shí)現(xiàn)相同的運(yùn)行時(shí)間。換句話說，通過采用較小電感器實(shí)現(xiàn)的空間節(jié)省有可能因?yàn)樾枰褂幂^大的電池而前功盡棄。

輸出斷接

由于升壓二極管的原因，典型的升壓型轉(zhuǎn)換器不能將輸出與輸入斷接。電流始終通過電感器和升壓二極管從輸入端流到輸出端。因此，輸出不能短路或與輸入斷接，這一點(diǎn)在許多應(yīng)用中都是一個(gè)重大的問題，在停機(jī)模式中尤其如此。與此不同，LTC3122 包括一個(gè)內(nèi)部開關(guān)，此開關(guān)可將升壓 MOSFET 體二極管與輸出斷接。這還在接通時(shí)提供了浪涌電流限制作用，從而最大限度地減小了輸入電源所承受的浪涌電流