新一代便攜式設(shè)備的關(guān)鍵電源電路設(shè)計考慮
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為硬盤驅(qū)動器和I/O供電
硬盤驅(qū)動器和許多I/O通常采用3.3V電壓軌供電。由于單個鋰離子電池的電壓為3.0~4.2V，所以它需要降壓/升壓功能以充分利用可用電量，從而延長電池的使用壽命。圖3(b)是H橋接降壓/升壓轉(zhuǎn)換器電路。如何選擇正確的控制方案以實現(xiàn)高效率呢？這種降壓/升壓轉(zhuǎn)換器有兩種基本的控制架構(gòu)。
第一種控制方案是使轉(zhuǎn)換器工作在傳統(tǒng)的降壓/升壓模式。當(dāng)Q1和Q3同時導(dǎo)通時，輸入電壓被施加到電感上，能量存儲在電感中，輸出電容為負載提供電源。當(dāng)Q1和Q3截至，Q2和Q4導(dǎo)通時，電感電流流經(jīng)Q2和Q4，將存儲的電能供給輸出端。
假設(shè)在轉(zhuǎn)換開關(guān)和電感上沒有功率損耗，則這種控制方案在連續(xù)導(dǎo)通模式下電壓增益由下式得出：
其中，D為占空比。當(dāng)占空比小于0.5時，轉(zhuǎn)換器工作在降壓模式，以使輸出電壓低于輸入電壓。當(dāng)占空比大于0.5時，轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)升壓功能。為使輸出電壓等于輸入電壓，占空比需等于0.5。這種方案的降壓模式和升壓模式之間的轉(zhuǎn)換非常平滑，但是傳統(tǒng)的降壓/升壓運行效率較低，因為它所具有非連續(xù)的大輸入和輸出電流導(dǎo)致傳導(dǎo)損耗、開關(guān)損耗和電感繞組損(銅損)都非常高。
第二種控制方案是使轉(zhuǎn)換器工作在降壓模式或者升壓模式，這可以獲得與降壓或升壓轉(zhuǎn)換器類似的更高的效率。當(dāng)輸入電壓高于輸出電壓時，轉(zhuǎn)換器工作在降壓模式，當(dāng)輸入電壓低于輸出電壓時，轉(zhuǎn)換器工作在升壓模式。在降壓模式中，Q4一直導(dǎo)通，Q3一直截至，Q1和Q2作為一個同步降壓轉(zhuǎn)換器交替導(dǎo)通和截至。在升壓模式中，當(dāng)VIN小于Vo時，Q1一直導(dǎo)通，Q2一直截至，Q3和Q4作為一個同步升壓轉(zhuǎn)換器交替導(dǎo)通和截至。MOSFET和電感的均方根(RMS)電流與降壓或升壓轉(zhuǎn)換器的電流相等。這種控制方案可以實現(xiàn)比傳統(tǒng)降壓/升壓轉(zhuǎn)換器高5~10%的效率。
圖5：TPS6300在各種負載條件下的典型應(yīng)用電路。
為利用最小尺寸解決方案進一步滿足延長電池使用壽命的要求，這里采用集成的N通道MOSFET作為頂部的開關(guān)MOSFET。對于給定的裸片尺寸，N通道MOSFET的導(dǎo)通電阻比P通道MOSFET低，因此這種方案進一步減少了傳導(dǎo)損耗。然而，驅(qū)動N通道MOSFET需要借助電荷泵電路提供高柵極驅(qū)動電壓。由德州儀器(TI)開發(fā)的一項創(chuàng)新技術(shù)在保持總芯片尺寸小于P通道MOSFET的同時，將這些電荷泵電路集成到芯片上，從而以最小尺寸的解決方案實現(xiàn)最高效率。圖5給出了TPS6300在各種負載條件下典型的應(yīng)用電路圖，其最高效率可達95%。圖6為該電路在各種負載條件下的效率曲線圖。
圖6：各種負載條件下的效率，最高效率可達95%。
如何為微處理器、背光LED和I/O等關(guān)鍵元件供電對滿足嚴格的電壓瞬態(tài)響應(yīng)、實現(xiàn)盡可能最高的效率以充分利用電池電量而言非常關(guān)鍵。為這些元件供電的很重要一點是，系統(tǒng)設(shè)計人員充分理解設(shè)計挑站以及優(yōu)化電感和環(huán)路帶寬設(shè)計所要求的物理工作原理，從而選擇正確的控制方案以滿足系統(tǒng)性能要求。
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