用全集成降/升壓轉(zhuǎn)換器延長鋰離子電池壽命的設(shè)計(jì)

引言

　　對于便攜式電源應(yīng)用而言，要充分利用先進(jìn)電池技術(shù)的小尺寸、高能量密度等優(yōu)點(diǎn)，就必須在整個(gè)電池放電電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效工作。這就對要求3.3V總線電壓的鋰離子電池供電系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。盡管標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器在將4.2～3.0V鋰離子電池電壓轉(zhuǎn)換成諸如1.8V的較低輸出電壓時(shí)具有很高的轉(zhuǎn)換效率，且標(biāo)準(zhǔn)升壓轉(zhuǎn)換器在將鋰離子電池電壓轉(zhuǎn)換成諸如5V的更高輸出電壓時(shí)也有很高的轉(zhuǎn)換效率，但上述兩種轉(zhuǎn)換器均不是生成常用3.3V總線電壓的最佳解決方案。SEPIC及傳統(tǒng)的降壓-升壓雖然能夠充分利用電池電量，但卻具有效率低、成本高、電路板面積較大及部件數(shù)量多等缺點(diǎn)。采用三種配置結(jié)構(gòu)的TPS6300x可以解決這些問題。TPS63000具有從1.2V～5.5V的可調(diào)輸出范圍。TPS63001及TPS63002的固定輸出電壓分別為3.3V和5.0V。上述產(chǎn)品均采用節(jié)省空間的10引腳QFN(DRC)封裝。

TPS63001

　　TI的TPS63001具有部件數(shù)最少、電路板面積小、成本較低等特點(diǎn)，且能夠?qū)囯x子電池輸入電壓高效地轉(zhuǎn)換為3.3V總線電壓。在一個(gè)3x3毫米QFN封裝中除集成了降壓和升壓兩種功能以外，還集成了開關(guān)FET、補(bǔ)償和保護(hù)功能等。只需三個(gè)外部部件即可保證工作運(yùn)行：輸入和輸出電容以及電感。該轉(zhuǎn)換器的峰值效率為96%（請參見圖1），峰值輸出電流為800mA，其電流足以為大多數(shù)便攜式負(fù)載供電。1.8～5.5V寬泛的輸入電壓范圍能夠配合許多常見電源工作，如兩節(jié)或三節(jié)堿性電池、NiMH電池以及3.3V和5V總線。

 
圖1 1.8～5.5V時(shí)的TPS63001效率圖[320mA負(fù)載(VOUT=3.3v)]

　　圖2顯示了一款可由單個(gè)鋰離子電池供電的典型3.3V電源。1.5MHz的開關(guān)頻率允許使用小型的2.2μH電感器及0603尺寸的小型陶瓷輸入和輸出電容。高效率再加上較少的外部部件數(shù)量將總體解決方案尺寸降至了只有6x6毫米大小（請參見圖3）。

圖2 典型的應(yīng)用電路

圖3 6x6毫米板級(jí)空間內(nèi)的典型布局

高級(jí)控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了效率的最大化

　　TPS6300x基于如圖4所示的標(biāo)準(zhǔn)H橋接降壓-升壓功率級(jí)，同時(shí)包含了與單個(gè)電感連接的降壓和升壓兩種開關(guān)FET配置結(jié)構(gòu)。與連續(xù)同時(shí)開關(guān)四個(gè)FET的標(biāo)準(zhǔn)降壓-升壓模式不同，TPS6300x采用專有調(diào)制器設(shè)計(jì)，每次只開關(guān)其中兩個(gè)FET，這種控制機(jī)制顯著降低了不必要的開關(guān)損耗。TPS6300x的降壓或升壓模式的工作效率高于傳統(tǒng)的降壓-升壓模式工作效率，從而進(jìn)一步降低了功率損耗。

 
圖4 電源部分的結(jié)構(gòu)圖

　　當(dāng)鋰離子電池放電至并低于3.3V時(shí)，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器必須要從降壓模式轉(zhuǎn)換為升壓模式。在該轉(zhuǎn)換點(diǎn)，許多降壓-升壓控制機(jī)制會(huì)出現(xiàn)效率下降、電源抖動(dòng)或輸出電壓不穩(wěn)的情況。TPS6300x可根據(jù)需要在降壓和升壓模式間以逐脈沖方式進(jìn)行無縫轉(zhuǎn)換，因而能夠在降壓和升壓范圍內(nèi)提供恒定的PWM開關(guān)，而不會(huì)在兩個(gè)模式間產(chǎn)生迭加或停滯時(shí)間。

更多特性

　　TPS6300x還包含其他集成特性，這些特性可增強(qiáng)便攜式應(yīng)用中的使用體驗(yàn)，如極低靜態(tài)電流（不到50μA），在輕負(fù)載情況下仍保持高效率的用戶可選的節(jié)電(PS)模式，以及有助于最小化系統(tǒng)噪聲的外部同步等。

　　平均電流模式控制拓?fù)湓诮祲汉蜕龎耗Ｊ较戮芴峁┛焖俚乃矐B(tài)響應(yīng)和低輸出紋波。在輸入與負(fù)載范圍內(nèi)，輸出穩(wěn)壓容差為±1%。內(nèi)部補(bǔ)償針對具有10至22μF輸出電容的2.2～4.7μH外部電感進(jìn)行了優(yōu)化。

　　短路保護(hù)起到了返送電流限制的作用，當(dāng)輸出電壓下降3%時(shí)，輸出限流最大值便從1.7A降至800mA。

　　這就降低了輸出過載情況下的器件功耗。過載清除后即可恢復(fù)正常工作。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)χT如超大電容等類型的大輸出電容器進(jìn)行充電。

　　PS模式特性即使是在低于300mA的輕負(fù)載下也能保持非常高的效率。在PS模式下，開關(guān)時(shí)間只能保證將輸出電壓升至略高于輸出電壓設(shè)定點(diǎn)，隨后則停止開關(guān)直至輸出電壓再次降至設(shè)定點(diǎn)以下。這種“先開再關(guān)”的開關(guān)模式在輕負(fù)載下可提供極高的效率。

其他應(yīng)用

　　TPS6300x還能在電流調(diào)節(jié)模式下驅(qū)動(dòng)白光LED(WLED)，即在WLED回路中用電阻替代輸出分壓網(wǎng)絡(luò)。由于WLED的典型正向壓降為4.2～3.5V，在大多數(shù)電源拓?fù)渲杏娩囯x子電池供電都有問題，因?yàn)殡娫葱枰瑫r(shí)對其輸出電壓進(jìn)行降壓和升壓。TPS6300x的降壓-升壓功能則很好地解決了這個(gè)問題，并能夠輕松地為照明燈或閃光燈應(yīng)用提供500mA的電流。

結(jié)論

　　TPS6300x是將鋰離子電池電壓轉(zhuǎn)換為3.3V總線電壓的理想解決方案。其具備效率高、電路板面積小、成本低、從降壓模式到升壓模式的無縫轉(zhuǎn)換等特點(diǎn)，是幫助設(shè)計(jì)工程師完成高性能、快速設(shè)計(jì)的理想選擇。

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