用于便攜式系統(tǒng)的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

　　“更小、更便宜、更有效率。”這句話反映了對(duì)下一代便攜式設(shè)備的要求。業(yè)界不斷地將這些要求推向極致，設(shè)計(jì)工程師發(fā)現(xiàn)很難對(duì)這三個(gè)要求單獨(dú)進(jìn)行優(yōu)化。最佳的解決方案取決于整個(gè)系統(tǒng)要求以及大小、成本或效率(運(yùn)行時(shí)間)方面的綜合要求。設(shè)計(jì)師有很多備選的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：降壓、低壓差穩(wěn)壓器(LDO)和降壓-升壓，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)。

　　本文將向您揭示各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，特別結(jié)合了常常在大多數(shù)便攜式電源應(yīng)用中用到的鋰離子電池電壓到3.3V電壓軌轉(zhuǎn)換。我們將解釋降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的不同實(shí)現(xiàn)，并說(shuō)明當(dāng)涉及到降壓-升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，“一種解決方案并不能滿足所有要求?！?/P>

　　存在的問(wèn)題

　　圖1說(shuō)明了鋰離子電池到3.3V電壓轉(zhuǎn)換所面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。滿充的典型鋰離子電池放電電壓從4.2V開始。圖1中的X軸開始于“t=-5分鐘”，顯示電池滿充開路電壓。在“t=0”時(shí)，給電池加上負(fù)載，因?yàn)槠鋬?nèi)部阻抗和保護(hù)電路，電壓下降。當(dāng)逐漸下降到約3.4V時(shí)電壓開始快速下降，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候已經(jīng)接近其放電周期的終點(diǎn)。為了充分利用電池存儲(chǔ)的能量，在大部分的放電周期內(nèi)3.3V的電壓軌需要一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，而對(duì)于放電周期的其它部分時(shí)間，則需要升壓轉(zhuǎn)換器。

　　從鋰離子電池有效地產(chǎn)生3.3V電壓軌并不是新問(wèn)題，有很多解決方案。這里我們將討論一些廣泛使用的解決方案。包括級(jí)聯(lián)降壓和升壓、降壓-升壓、降壓和LDO電壓拓?fù)?。我們將討論每種設(shè)計(jì)的折中問(wèn)題，而且還測(cè)量和比較了系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)。

　　級(jí)聯(lián)降壓和升壓轉(zhuǎn)換器解決方案

　　級(jí)聯(lián)降壓和升壓轉(zhuǎn)換器由兩個(gè)獨(dú)立的離散轉(zhuǎn)換器組成：一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器和一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器。降壓轉(zhuǎn)換器將電池電壓調(diào)節(jié)到一個(gè)中間電壓，例如1.8V。然后，升壓轉(zhuǎn)換器再將中間電壓升壓到3.3V。如果系統(tǒng)正好需要低電壓軌的話，這種架構(gòu)非常有用。它100%地利用了電池容量。然而，從效率的觀點(diǎn)來(lái)看，這種解決方案的效率并不是最高的，因?yàn)樗捎昧藘杉?jí)轉(zhuǎn)換。

　　電源轉(zhuǎn)換效率是降壓轉(zhuǎn)換器和升壓轉(zhuǎn)換器效率之積。對(duì)于工作在這些電壓下的降壓轉(zhuǎn)換器和升壓轉(zhuǎn)換器的效率均為90%。這樣3.3V轉(zhuǎn)換器的總效率就等于90%×90% = 81%。兩個(gè)分立的轉(zhuǎn)換器增加了這種架構(gòu)的元件數(shù)量和尺寸，因此這種方案無(wú)法用于小體積的便攜式產(chǎn)品。另外一個(gè)缺點(diǎn)是兩個(gè)分離的轉(zhuǎn)換器增加了成本。

　　只有降壓轉(zhuǎn)換器的解決方案

　　從鋰離子電池產(chǎn)生3.3V的另外一個(gè)常常被忽視的解決方案是降壓轉(zhuǎn)換器。這種解決方案并沒有得到廣泛的使用。然而，它具有一些明顯的優(yōu)勢(shì)，不應(yīng)該被忽視。設(shè)計(jì)師常常在看了圖1的放電曲線后棄用這種解決方案。圖1顯示一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器不能在電池的整個(gè)放電曲線中產(chǎn)生3.3V電壓軌。當(dāng)降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓降低到接近其輸出電壓時(shí)，很多的降壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)入到100%的負(fù)載周期模式。

　　圖1：1650mA-hr 18650鋰離子電池放電曲線。

　　在這種情況下，轉(zhuǎn)換器停止開關(guān)，直接將輸入電壓遞送到輸出。在100%的負(fù)載周期模式下，輸出電壓等于輸入電壓減去在轉(zhuǎn)換器上的壓降。這個(gè)壓降是功率金屬場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)的接通阻抗、輸出電感的直流阻抗以及負(fù)載電流的函數(shù)。它設(shè)置最低的電池電壓，在此電壓下的輸出仍被認(rèn)為處于電壓調(diào)節(jié)狀態(tài)。假設(shè)系統(tǒng)允許3.3V的電壓軌降低5%，并且依然處于電壓調(diào)節(jié)狀態(tài)，那么就可以用等式1計(jì)算得到系統(tǒng)工作的最低電池電壓。

　　其中Vout_nom是標(biāo)稱的3.3V設(shè)置點(diǎn)，Rdson是功率MOSFET的接通電阻，RL是輸出電感的直流電阻，Iout是轉(zhuǎn)換器的3.3V輸出電流。

　　當(dāng)電池電壓降低到Vbattery_min時(shí)，系統(tǒng)必須關(guān)斷，以確保不會(huì)因?yàn)殡妷旱陀?.3V以下的最小容忍電壓而導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞。即使電池的電量還有額定容量的5%~15%，系統(tǒng)仍然可能關(guān)斷。實(shí)際的未使用容量取決于很多因素，包括器件阻抗、負(fù)載電流、電池壽命以及環(huán)境溫度。

　　大多數(shù)設(shè)計(jì)師就只為這個(gè)原因而放棄采用單獨(dú)的降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌亲屑?xì)地了解實(shí)際的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，這種選擇可能有些草率。傳統(tǒng)的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器以及級(jí)聯(lián)降壓和升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的效率比單獨(dú)的降壓轉(zhuǎn)換器低很多。盡管這些拓?fù)淅昧苏麄€(gè)電池容量，但他們的效率比降壓轉(zhuǎn)換器的效率低很多。在很多實(shí)例中，單獨(dú)的降壓轉(zhuǎn)換器運(yùn)行時(shí)超過(guò)其它兩種拓?fù)洹Ｖ钡郊s2005年，完全集成的降壓轉(zhuǎn)換器還常常是產(chǎn)生3.3V電壓軌的最佳選擇。

　　低壓差穩(wěn)壓器方案

　　另外一種并未得到廣泛使用的解決方案是LDO。與“單降壓”的解決方案一樣，LDO也不能完全利用到電池的容量。這是因?yàn)橹挥挟?dāng)輸入電壓大于輸出電壓加LDO壓差時(shí)LDO才保持調(diào)壓功能。比如LDO的壓差為0.15V，當(dāng)電池電壓降低到3.3V + 0.15V = 3.45V后，3.3V的輸出電壓開始下降。根據(jù)LDO壓差的不同，與“單降壓”解決方案相比，這種解決方案可能會(huì)留下很多未用能量在電池里。盡管有這樣的缺點(diǎn)，LDO的好處仍然使其在合適的情況下成為很有吸引力的解決方案。

　　LDO通常提供最小的解決方案尺寸，在空間約束成為系統(tǒng)的主要要求時(shí)，它是一種可選的方案。LDO通常也是最便宜的解決方案，因此對(duì)成本敏感的應(yīng)用來(lái)說(shuō)極具吸引力。很多設(shè)計(jì)師因?yàn)榈托识艞壊捎肔DO，但是認(rèn)真了解這種應(yīng)用的效率(等式2)會(huì)發(fā)現(xiàn)這是一個(gè)不錯(cuò)的解決方案。

　　由于滿充的鋰離子電池初始電壓為4.2V，因此LDO效率初始值為78%，隨著電池電壓的降低效率也隨之增加。

　　降壓-升壓轉(zhuǎn)換器解決方案

　　降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)正在得到廣泛的應(yīng)用。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)整合了前面討論的所有其他解決方案的最佳特性。正如其名一樣，它提供“降壓和升壓”功能，可以百分之百地利用電池容量。

　　根據(jù)具體的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)方式，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可以具有非常高的效率。例如， TI公司的全集成降壓-升壓轉(zhuǎn)換器TPS63000在進(jìn)行3.6V到3.3 V的轉(zhuǎn)換中效率可達(dá)95%左右。非常高效率地使用整個(gè)電池容量提供了所有解決方案中最長(zhǎng)的使用時(shí)間。集成了功率開關(guān)、補(bǔ)償器件和反饋電路的完全集成的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器解決方案的尺寸非常小。需要的外部器件僅僅包括輸入電容、輸出電容和電感，就器件數(shù)量和方案尺寸而言，可以與降壓方案媲美。單芯片的高集成度IC解決方案有助于使總體成本最小。

　　圖2顯示了降壓-升壓電源等級(jí)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由一個(gè)降壓電源級(jí)和一個(gè)升壓電源級(jí)組成，降壓電源級(jí)的兩個(gè)功率開關(guān)通過(guò)功率電感連接到降壓電源級(jí)的兩個(gè)功率開關(guān)。這些開關(guān)可以用三種不同的工作模式進(jìn)行控制：降壓-升壓模式、降壓模式和升壓模式。一種特殊的IC工作模式是輸入-輸出電壓比、IC控制拓?fù)涞暮瘮?shù)。

　　圖2：降壓-升壓電源級(jí)。

　　不是所有的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器都是相同的

　　在便攜式應(yīng)用中采用降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的情況已經(jīng)存在很長(zhǎng)一段時(shí)間了。當(dāng)涉及到效率和尺寸大小的時(shí)候，通常這些降壓-升壓轉(zhuǎn)換器有很嚴(yán)格的要求。硅片和封裝技術(shù)只是在最近才發(fā)展到能在一個(gè)小封裝中用一個(gè)合適的控制環(huán)集成4個(gè)MOSFET開關(guān)。有幾種降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可供選擇，但是通常這些降壓-升壓轉(zhuǎn)換器具有很不一樣的工作特性。

　　盡管不同的降壓-升壓解決方案具有相同的電源級(jí)拓?fù)洌鼈兙哂胁町惡艽蟮目刂齐娐?。有三種標(biāo)準(zhǔn)的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。第一種在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)所有四個(gè)MOSFET都工作。這將產(chǎn)生典型的降壓-升壓波形。仔細(xì)分析這些波形可以發(fā)現(xiàn)通過(guò)電感和MOSFET的均方根(RMS)電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)的降壓或升壓轉(zhuǎn)換器。這導(dǎo)致降壓-升壓拓?fù)涞膶?dǎo)通和開關(guān)損耗增加。四個(gè)開關(guān)同時(shí)工作還增加了柵極驅(qū)動(dòng)損耗，在較低的輸出電流下，這會(huì)極大地降低效率。

　　第二種降壓-升壓控制方案比較新，每個(gè)開關(guān)周期只有兩個(gè)MOSFET工作，因此降低了損耗。參見圖2，這種控制方案工作在三種不同的模式。當(dāng)Vin大于Vout時(shí)，轉(zhuǎn)換器打開Q4，關(guān)閉Q3。然后像經(jīng)典的降壓轉(zhuǎn)換器一樣，控制Q1和Q2。當(dāng)Vin低于Vout，控制電路打開Q2并關(guān)閉Q1。然后像經(jīng)典的升壓轉(zhuǎn)換器一樣控制Q3和Q4。這種控制模式在降壓和升壓模式之間的轉(zhuǎn)換期間存在幾種控制和操作問(wèn)題。這些問(wèn)題的解決辦法是在轉(zhuǎn)換期間以典型的降壓-升壓