用全集成降/升压转换器延长锂离子电池寿命的设计

引言

　　对于便携式电源应用而言，要充分利用先进电池技术的小尺寸、高能量密度等优点，就必须在整个电池放电电压范围内实现高效工作。这就对要求3.3V总线电压的锂离子电池供电系统提出了严峻的挑战。尽管标准降压转换器在将4.2～3.0V锂离子电池电压转换成诸如1.8V的较低输出电压时具有很高的转换效率，且标准升压转换器在将锂离子电池电压转换成诸如5V的更高输出电压时也有很高的转换效率，但上述两种转换器均不是生成常用3.3V总线电压的最佳解决方案。SEPIC及传统的降压-升压虽然能够充分利用电池电量，但却具有效率低、成本高、电路板面积较大及部件数量多等缺点。采用三种配置结构的TPS6300x可以解决这些问题。TPS63000具有从1.2V～5.5V的可调输出范围。TPS63001及TPS63002的固定输出电压分别为3.3V和5.0V。上述产品均采用节省空间的10引脚QFN(DRC)封装。

TPS63001

　　TI的TPS63001具有部件数最少、电路板面积小、成本较低等特点，且能够将锂离子电池输入电压高效地转换为3.3V总线电压。在一个3×3毫米QFN封装中除集成了降压和升压两种功能以外，还集成了开关FET、补偿和保护功能等。只需三个外部部件即可保证工作运行：输入和输出电容以及电感。该转换器的峰值效率为96%（请参见图1），峰值输出电流为800mA，其电流足以为大多数便携式负载供电。1.8～5.5V宽泛的输入电压范围能够配合许多常见电源工作，如两节或三节碱性电池、NiMH电池以及3.3V和5V总线。



图1 1.8～5.5V时的TPS63001效率图[320mA负载(VOUT=3.3v)]

　　图2显示了一款可由单个锂离子电池供电的典型3.3V电源。1.5MHz的开关频率允许使用小型的2.2μH电感器及0603尺寸的小型陶瓷输入和输出电容。高效率再加上较少的外部部件数量将总体解决方案尺寸降至了只有6×6毫米大小（请参见图3）。



图2 典型的应用电路


图3 6×6毫米板级空间内的典型布局

高级控制拓扑结构实现了效率的最大化

　　TPS6300x基于如图4所示的标准H桥接降压-升压功率级，同时包含了与单个电感连接的降压和升压两种开关FET配置结构。与连续同时开关四个FET的标准降压-升压模式不同，TPS6300x采用专有调制器设计，每次只开关其中两个FET，这种控制机制显著降低了不必要的开关损耗。TPS6300x的降压或升压模式的工作效率高于传统的降压-升压模式工作效率，从而进一步降低了功率损耗。



图4 电源部分的结构图

　　当锂离子电池放电至并低于3.3V时，降压-升压转换器必须要从降压模式转换为升压模式。在该转换点，许多降压-升压控制机制会出现效率下降、电源抖动或输出电压不稳的情况。TPS6300x可根据需要在降压和升压模式间以逐脉冲方式进行无缝转换，因而能够在降压和升压范围内提供恒定的PWM开关，而不会在两个模式间产生迭加或停滞时间。

更多特性

　　TPS6300x还包含其他集成特性，这些特性可增强便携式应用中的使用体验，如极低静态电流（不到50μA），在轻负载情况下仍保持高效率的用户可选的节电(PS)模式，以及有助于最小化系统噪声的外部同步等。

　　平均电流模式控制拓扑在降压和升压模式下均能提供快速的瞬态响应和低输出纹波。在输入与负载范围内，输出稳压容差为±1%。内部补偿针对具有10至22μF输出电容的2.2～4.7μH外部电感进行了优化。

　　短路保护起到了返送电流限制的作用，当输出电压下降3%时，输出限流最大值便从1.7A降至800mA。

　　这就降低了输出过载情况下的器件功耗。过载清除后即可恢复正常工作。这种方法的优点是能够对诸如超大电容等类型的大输出电容器进行充电。

　　PS模式特性即使是在低于300mA的轻负载下也能保持非常高的效率。在PS模式下，开关时间只能保证将输出电压升至略高于输出电压设定点，随后则停止开关直至输出电压再次降至设定点以下。这种"先开再关"的开关模式在轻负载下可提供极高的效率。

其他应用

　　TPS6300x还能在电流调节模式下驱动白光LED(WLED)，即在WLED回路中用电阻替代输出分压网络。由于WLED的典型正向压降为4.2～3.5V，在大多数电源拓扑中用锂离子电池供电都有问题，因为电源需要同时对其输出电压进行降压和升压。TPS6300x的降压-升压功能则很好地解决了这个问题，并能够轻松地为照明灯或闪光灯应用提供500mA的电流。

结论

　　TPS6300x是将锂离子电池电压转换为3.3V总线电压的理想解决方案。其具备效率高、电路板面积小、成本低、从降压模式到升压模式的无缝转换等特点，是帮助设计工程师完成高性能、快速设计的理想选择。