用于便携式系统的降压-升压转换器

   "更小、更便宜、更有效率。"这句话反映了对下一代便携式设备的要求。业界不断地将这些要求推向极致，设计工程师发现很难对这三个要求单独进行优化。

        最佳的解决方案取决于整个系统要求以及大小、成本或效率(运行时间)方面的综合要求。设计师有很多备选的电源拓扑结构：降压、低压差稳压器(LDO)和降压-升压，这些拓扑结构各有优缺点。

      本文将向您揭示各种拓扑结构的优点和缺点，特别结合了常常在大多数便携式电源应用中用到的锂离子电池电压到3.3V电压轨转换。我们将解释降压-升压转换器的不同实现，并说明当涉及到降压-升压转换器时，"一种解决方案并不能满足所有要求。"

      存在的问题

      图1说明了锂离子电池到3.3V电压转换所面临的设计挑战。满充的典型锂离子电池放电电压从4.2V开始。图1中的X轴开始于"t=-5分钟"，显示电池满充开路电压。在"t=0"时，给电池加上负载，因为其内部阻抗和保护电路，电压下降。当逐渐下降到约3.4V时电压开始快速下降，因为这个时候已经接近其放电周期的终点。为了充分利用电池存储的能量，在大部分的放电周期内3.3V的电压轨需要一个降压转换器，而对于放电周期的其它部分时间，则需要升压转换器。

      从锂离子电池有效地产生3.3V电压轨并不是新问题，有很多解决方案。这里我们将讨论一些广泛使用的解决方案。包括级联降压和升压、降压-升压、降压和LDO电压拓扑。我们将讨论每种设计的折中问题，而且还测量和比较了系统的运行时。

      级联降压和升压转换器解决方案

      级联降压和升压转换器由两个独立的离散转换器组成：一个降压转换器和一个升压转换器。降压转换器将电池电压调节到一个中间电压，例如1.8V。然后，升压 转换器再将中间电压升压到3.3V。如果系统正好需要低电压轨的话，这种架构非常有用。它100%地利用了电池容量。然而，从效率的观点来看，这种解决方 案的效率并不是最高的，因为它采用了两级转换。

      电源转换效率是降压转换器和升压转换器效率之积。对于工作在这些电压下的降压转换器和升压转换器的效率均为90%。这样3.3V转换器的总效率就等于 90%×90% = 81%。两个分立的转换器增加了这种架构的元件数量和尺寸，因此这种方案无法用于小体积的便携式产品。另外一个缺点是两个分离的转换器增加了成本。

      只有降压转换器的解决方案

      从锂离子电池产生3.3V的另外一个常常被忽视的解决方案是降压转换器。这种解决方案并没有得到广泛的使用。然而，它具有一些明显的优势，不应该被忽视。 设计师常常在看了图1的放电曲线后弃用这种解决方案。图1显示一个降压转换器不能在电池的整个放电曲线中产生3.3V电压轨。当降压转换器的输入电压降低 到接近其输出电压时，很多的降压转换器进入到100%的负载周期模式。

图1：1650mA-hr 18650锂离子电池放电曲线。

       在这种情况下，转换器停止开关，直接将输入电压递送到输出。在100%的负载周期模式下，输出电压等于输入电压减去在转换器上的压降。这个压降是功率金属 场效应晶体管(MOSFET)的接通阻抗、输出电感的直流阻抗以及负载电流的函数。它设置最低的电池电压，在此电压下的输出仍被认为处于电压调节状态。假 设系统允许3.3V的电压轨降低5%，并且依然处于电压调节状态，那么就可以用等式1计算得到系统工作的最低电池电压。

       其中Vout_nom是标称的3.3V设置点，Rdson是功率MOSFET的接通电阻，RL是输出电感的直流电阻，Iout是转换器的3.3V输出电流。

       当电池电压降低到Vbattery_min时，系统必须关断，以确保不会因为电压低于3.3V以下的最小容忍电压而导致数据损坏。即使电池的电量还有额定 容量的5%~15%，系统仍然可能关断。实际的未使用容量取决于很多因素，包括器件阻抗、负载电流、电池寿命以及环境温度。

       大多数设计师就只为这个原因而放弃采用单独的降压转换器拓扑，但是仔细地了解实际的系统运行时可以发现，这种选择可能有些草率。传统的降压-升压转换器以 及级联降压和升压拓扑结构的效率