以软启动电路延长电池寿命

作者:奥地利微电子公司标准线性产品仿真设计工程师 Emir Serdarevic

这篇文章探讨一种在许多电池驱动产品中存在的特性。当一个电路首次获得供电时，在建立稳定操作状况期间会出现高尖峰电流。虽然全新或刚充满电的电池可以有可靠且符合预期的性能表现，但如果电池电量不是很满时就不能支持高启动电流(亦称为涌浪电流)。随着电池电量逐渐消耗，它的内部电阻不断增加，导致在负载下的电压下跌更大。启动时尖峰电流所造成的更大电压下降将触发电源欠压关闭机制。

在关闭过程中，电池电压会回复过来，使电源再次启动并产生高涌浪，进而再次激发另一回欠压情况。结果，设备在启动(ON)与关闭(OFF)状态之间来回，导致用户不满，还会迫使用户过早更换电池或为电池充电。

电池使用寿命是用户做出购买决定的重要因素，所以任何机制如果能够影响电池的预期使用寿命，都会为最终产品创优增值。

把软启动定为例行程序，让电流在一段受到控制的时间内提升到系统要求的数值，可以避免由涌浪电流造成的问题。例行软启动的操作有两大优点。首先，它使输出电压不会上升得太快，能够防止输出电压过冲或显著降低过冲的幅度。

第二，当一枚已部分放电的电池放出大涌浪电流时，它能够避免出现随之而来的电压大跌。例行软启动减少了涌浪电流的幅度，所以亦减少了在启动时出现的电压下降，从而使电池电压高于会触发系统欠压关闭的临界值。

对某几类器件来说，软启动可轻易部署。例如低压差(LDO)稳压器只要利用栅极控制，便能轻松实施软启动及涌浪电流保护。至于DC-DC转换器，部署方法就要视乎器件是属于降压还是升压稳压器。

降压转换器以及某些升压转换器并没有启动模块。如果在最怀的情况下，也就是当输入电压到了最低时，仍足以为芯片的所有模块提供电压，那就好办了，因为系统可以借着最大电流侦察器去限制电流，而这个限制在过了一段固定时间后，又或当一组输出电压达到了预定值时便会解除。这是一个非常有吸引力的特性，因为芯片可维持在正常操作模式。

不过，某些升压转换器包含了一个启动模块。当这些系统以升压模式操作，输入电压就会低于电压要求，因而转换器的输出会被用于转换器的供电。在这种情况下，实施软启动便变得复杂，因为例行程序必须在整个启动过程中限制电流，直至输出达致所需的输出电压。这表示软启动机制必须同时在电池供电及转换器输出供电上运作。

与此同时，标准线性芯片是为广阔的应用而设计，能配合多种相关零件，这使软启动的部署更趋复杂。这亦表示在不同的应用中，达到输出要求所需的时间也各异。因此，为多种产品及应用提供一种通用软启动解决方案变得极具挑战性。

现在，随着奥地利微电子公司推出了一种崭新的器件，在一个产品平台上实施软启动便大为简化。AS1344不仅为絶大部分应用提供完整的启动解决方案，亦带来一系列启动期间的最大电流选择。这让系统可以调节达致所需输出电压的时间。

图1展示了AS1344的方块图。两个PMOS开关在关闭期间都处于OFF状态(输出与输入解除连接，以制止电流在关闭期间流动)；两者在正常操作模式下则保持ON状态。


图1：AS1344的方块图。

然而，在启动过程中，只有一个PMOS开关(那个与VIN连接的开关)处于ON状态。因此，设计人员可透过改变那个连接在电池与VIN之间的外部电阻之数值，去调节启动期间系统所容许通过的最大电流。这个电阻将永久限制流向VIN的电流。

在DC/DC转换器达到要求的输出电平之后不久，由VDD到SW的开关便会启动，换言之，器件将处于正常操作模式。这让更大的电流可以通过，以支持更高的负载电流，带来更具效率的系统。

图2及图3展示了这些效应。我们凭图2可知如果输入电压为1.8V，设计便能透过一个3Ω的外部电阻，把涌流电流限制于200mA左右。至于图3则显示，当输入电压为2.4V，电阻值一样是3Ω的话，最高涌浪电流值将约为400mA。


图2：如果输入电压为1.8V，设计便能透过一个3Ω的外部电阻，把涌流电流限制于200mA左右。


图3：当输入电压为2.4V，电阻值一样是3Ω的话，最高涌浪电流值将约为400mA。

我们从表1可看到同样在2.4V输入电压下，不同外部电阻(0Ω到3Ω)所造成的各个最大涌浪电流值及启动时间。这个列表清楚显示出，系统如无外部电阻(即Rv=0Ω)，就可快速启动，且有大涌浪电流通过。

表1：在2.4V输入电压下，不同外部电阻(0Ω到3Ω)所造成的各个最大涌浪电流值及启动时间。


设计人员可通过采用AS1344选择单一的外部电阻值，轻松控制涌浪电流。OEM借着在不同电路设计使用这种单一升压转换器，便有机会减少采购成本，同时简化供应链和仓存要求。