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标题: 为便携式系统选择电源拓扑解决方案的分析和对比 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-11 11:47
标题: 为便携式系统选择电源拓扑解决方案的分析和对比
“尺寸更小、成本更低、效率更高”是市场对新一代便携式设备的要求，但设计工程师很难对这三种需求进行独立优化。优化解决方案必须依据整体系统需求，对尺寸、成本及工作效率等因素进行综合考虑。对设计工程师而言，电源拓扑的选择多种多样，其中包括降压转换器、低压降稳压器(LDO)、降压/升压转换器等，但它们各有利弊，选用时应进行权衡。
本文将讨论各种电源拓扑，尤其是在将锂离子电池电压转换为3.3V电压电压轨(大多数便携式设备的电源电压)时的利弊。本文还将说明降压/升压转换器的不同应用，并解释降压/升压转换器的解决方案需“量身定做”的原因。
从图1可以看出，将锂离子电池电压转换为3.3V电压轨的设计很有挑战。在充满电的情况下，典型的锂离子电池放电曲线的起始电压为4.2V。X轴起始点为“-5分钟”，对应的电压为电池充满电时的开路电压。在“0分钟”时，电池接入负载，由于内部阻抗以及保护电路的作用，电压开始下降。电池电压缓慢降至约3.4V，然后电压开始快速下降，原因是放电周期已接近终点。为充分利用电池储存的电量，3.3V电压轨需要在放电周期的大部分时间里使用步降转换器，而在放电周期的剩余时间里使用升压转换器。

图 1：1650mA-hr 18650 锂离子电池放电曲线。
锂离子电池电压如何有效生成3.3V电压轨的问题由来已久，其解决方案也是多种多样。本文讨论几个常用解决方案，包括级联降压与升压、降压/升压、降压以及LDO电源拓扑等，并讨论每种设计方案的利弊，以及系统运行时间的测量与对比。
级联降压与升压转换器解决方案
级联降压与升压转换器包含降压转换器和升压转换器两个独立且分离的转换器。降压转换器将电压稳定在中电压(如1.8V)，而升压转换器则将中电压升高至3.3V。由于能够100%地利用电池电量，所以该架构非常适用于要求较低电压轨的系统。但由于采用了两段转换机制，从效率的角度考虑，这并不是最佳解决方案。
有效的功率转换效率是降压稳压器效率与升压稳压器效率之积。工作在上述电压条件下，降压与升压转换器的典型效率值均为90%，因此3.3V转换器的有效功率转换效率为90%×90%=81%。由于该架构包含两个独立的转换器，所以元件数量与系统体积均增加了，不但难以应用在小型便携式产品中，而且还增加了成本。
独立的降压转换器解决方案
采用降压转换器也能使锂离子电池电压转换成3.3V电压，但该方案常常被忽略，并未得到广泛应用。设计工程师在观察电池放电曲线(如图1所示)后一般会放弃这个解决方案，这是因为从电池完全放电曲线(如图1所示)可看出，降压稳压器无法生成3.3V电压轨。当降压转换器的输入电压下降到接近输出电压时，很多降压转换器会进入100%占空比模式。在此条件下，转换器停止转换，将输入电压直接进行输出。在100%占空比模式下，输出电压等于输入电压减去转换器的压降。该压降由(MOSFET导通电阻、输出电感的直流电阻及负载电流决定，这样便设定了仍处于稳压范围的最小电池电压。假设系统认为3.3V电压轨下降5％仍处于稳压范围，则用下面等式可计算出系统工作的最小电池电压。
Vbattery_min=Vout_nom×0.95+(Rdson+RL)×Iout(1)
其中：Vout_nom为额定值3.3V，Rdson为功率MOSFET导通电阻，RL为输出电感dc电阻，Iout为转换器3.3V时的输出电流。
当电池电压降至Vbattery_min时，系统在低于最小容限时必须关闭，以避免运行在3.3V电压轨上而损坏数据。即使电池仍剩余5～15％电能，系统也有可能关闭。系统关闭前还剩余多少电池电能多少取决于元件电阻、负载电流、电池的新旧以及环境温度等多种因素。
大多数设计工程师会因为这个原因而放弃采用单独的降压拓扑，但仔细研究系统实际运行时间就会发现，标准降压/升压、级联降压以及升压拓扑的转换效率比单独的降压转换器的效率低得多。尽管这些拓扑能充分利用电池电量，但效率却远低于降压转换器。很多情况下，单独降压转换器的运行时间比其他两种拓扑都长。直到2005年，全集成降压转换器才被视为生成3.3V电压轨的最佳选择。
低压降稳压器解决方案
另一种不常用的解决方案是LDO，与“单独的降压”方案类似，LDO无法完全利用全部电池电量，原因是只有当输入电压大于输出电压与LDO压降之和时，才能起到稳压作用。如果LDO的压降为0.15V，则当电池电压低于3.3V+0.15V=3.45V时，3.3V输出电压开始下降。由于采用这个解决方案而无法充分利用的电池电能，有可能比单独的压降解决方案多得多。尽管有这样的缺点，但LDO在一定的环境下也有优势。
通常情况下LDO解决方案的尺寸最小，因此当主系统对空间有严格要求时，它是一种理想选择。LDO解决方案的成本通常也是最低的，因此非常适用于低成本应用。众多设计工程师因LDO低效而放弃采用该方案，但是仔细研究后可以发现，该应用中的效率还是不错的：

当充满电的锂离子电池的起始电压为4.2V时，LDO的初始效率为78％，且其效率随电池电压的降低而上升。
降压/升压转换器方案
降压/升压拓扑的应用非常广泛。这种拓扑结合了上述其他解决方案的所有优点。顾名思义，该拓扑同时具有降压、升压两种功能，因此可以100%利用电池电量。
降压/升压转换器的部署方式决定了其具有极高的转换效率。例如，德州仪器(TI)全集成降压/升压转换器TPS63000在从3.6V降至3.3V过程中，转化效率达到了95％左右。高转换率意味着可以充分利用电池电量，从而实现最长运行时间。与降压解决方案的元件数量与体积相比，集成了功率开关、补偿元件以及反馈电路的全集成降压/升压转换器均不处于劣势，而且外部组件仅需输入电容、输出电容和电感。高度集成的单芯片IC解决方案有助于降低系统总体成本。
降压/升压功率级如图2所示，该拓扑由带2个功率开关的降压功率级和带2个功率开关的升压功率级组成，这两个功率级通过功率电感器相连。这些开关可以在三种不同模式下工作：降压/升压模式、降压模式以及升压模式。特定的IC运行模式具有特定的输入输出电压比和IC控制拓扑。

图 2：降压/升压功率级由带 2 个功率开关的降压功率级和带 2 个功率开关的升压功率级组成。
降压/升压转换器不尽相同
便携式应用对降压/升压转换器的需求由来已久，但对其尺寸与效率的要求通常非常严格。直到最近，半导体封装技术才发展到可以将4个MOSFET开关及相应的控制环路集成到小型封装中。
尽管不同的降压/升压解决方案具有相同的功率级拓扑，但控制电路相差很大。现有3款标准降压/升压转化器已供货，第一款在每个开关周期中4个MOSFET开关均处于工作状态，此类工作模式可以产生标准的降压/升压波形。仔细分析这些波形可以发现，通过电感器和MOSFET的有效电流(RMS)比标准降压或升压转换器高很多，这将导致标准降压/升压转换器的传导损耗及开关损耗增加。同步运行4个开关也会提高门驱动损耗，从而使低输出电流状态下的效率急剧下降。
第二款新型降压/升压控制方式在每个开关周期只运行2个MOSFET，从而降低了损耗。从图2可以看出，这种控制方案可以运行于三种不同模式。当Vin大于Vout时，转换器打开Q4并关闭Q3，然后将Q1及Q2作为标准降压转换器使用；当Vin小于Vout时，控制电路打开Q2并关闭Q1，然后将Q3及Q4作为标准升压转换器使用。但这种控制模式在降压与升压模式间的转换区会出现一些运行和控制问题。为解决这些问题，可在转换过程采用标准降压/升压模式。因为在标准降压/升压工作模式下，所有4个开关均处于工作状态，所以能够解决这些控制问题。但开关损耗与RMS电流的提高使得转换区中的效率骤降，而且这个效率骤降区接近电池电压(大部分电池电量在此时提供)，所以在电池放电曲线的大部分区域中，转换器工作于低效的降压/升压模式下。
第三款降压/升压控制模式消除了降压与升压模式间的转换区域，所以在性能与效率方面得以显著提高。TI的TPS63000降压/升压转换器包含先进的控制拓扑，从而能够解决标准降压/升压转换器所面临的各种问题。无论运行于何种模式下，TPS63000在每个开关周期仅有两个开关处于工作，这不仅减少了功耗，而且还在电池完全放电曲线过程中保持高效率。与一些解决方案不同的是，TPS63000集成了所有补偿电路，而且仅需3个外部组件便可运行，从而实现产品尺寸最小化。
图3为4种解决方案中锂离子电池电压下降到3.3V时的放电曲线与运行时间的对应关系。这些解决方案包括级联降压与升压转换器、单独的降压转换器、LDO转换器以及TPS63000降压/升压转换器。图中采用具有1650mAHr容量且充满电的18650锂离子电池。负载电流为500mA，当3.3V电压轨电压低于最初设定值5％时系统关闭。这里要求使用同一电池以避免因电池容量差异而导致数据偏差。和我们预期的一样，LDO的运行时间较短，仅为190分钟，而降压/升压转换器的运行时间最长，达到了203分钟，级联降压/升压解决方案的运行时间最短，仅为175分钟。表1显示了真实系统放电曲线的关键区域比较。
其它需要考虑的因素
图3数据是在恒定直流负载条件下测得，这是性能测试的通用做法，但却与实际应用有区别。为使便携式应用的运行时间长，只有在需要时才连接负载，在不需要时应断开负载。显示器、处理器及功率放大器是在系统电池上产生明显瞬态电流的主用来源，它们的负载变动幅度将会由于电池内部源电阻、保护电路及分布总线阻抗而导致电池总线上的电压降低。若这些负载变动幅度发生在放电周期的最后阶段，则能将电池电压降至3.3V以下。若采用降压或LDO解决方案则可能导致系统提前关机，而降压/升压解决方案则会度过瞬态继续运行，从而延长系统运行时间。
实验室测试过程中并不明显的负载瞬态电流在实际应用中却异常明显，原因是锂离子电池经过150个充电/放电周期后，其内部阻抗增加了一倍；当工作温度在0?C～25?C之间，其内部阻抗也会增加一倍。图4显示了负载瞬态电流条件下运行的锂电池的总线电压。降压及降压/升压转换器具有250mA的恒定负载电流，从而使电池总线负载500mA的瞬态电流。降压转换器输出下降至无法稳压时会引起系统关机。TPS63000降压/升压转换器则可以度过瞬态正常运行，且输出电压没有变化。
本文小结
锂离子电池电压转换为3.3V的设计方案众多，设计工程师可以根据系统特定要求选择最佳解决方案。降压/升压转换器适用于大多数系统，原因是它具有最长的运行时间、最小的尺寸以及相对较低的成本，是大多数便携式应用的最佳整体解决方案。
选择降压/升压转换器时必须清楚各种降压/升压转换器的特性并不相同，一定要注意运行模式、整个电池运行阶段的效率以及解决方案整体尺寸等因素。

发布者：小宇

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