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比单独的降压转换器低很多。尽管这些拓扑利用了整个电池容量，但他们的效率比降压转换器的效率低很多。在很多实例中，单独的降压转换器运行时超过其它两种拓扑。直到约2005年，完全集成的降压转换器还常常是产生3.3V电压轨的最佳选择。
         低压差稳压器方案
         另外一种并未得到广泛使用的解决方案是LDO。与“单降压”的解决方案一样，LDO也不能完全利用到电池的容量。这是因为只有当输入电压大于输出电压加LDO压差时LDO才保持调压功能。比如LDO的压差为0.15V，当电池电压降低到3.3V + 0.15V = 3.45V后，3.3V的输出电压开始下降。根据LDO压差的不同，与“单降压”解决方案相比，这种解决方案可能会留下很多未用能量在电池里。尽管有这样的缺点，LDO的好处仍然使其在合适的情况下成为很有吸引力的解决方案。
         LDO通常提供最小的解决方案尺寸，在空间约束成为系统的主要要求时，它是一种可选的方案。LDO通常也是最便宜的解决方案，因此对成本敏感的应用来说极具吸引力。很多设计师因为低效率而放弃采用LDO，但是认真了解这种应用的效率(等式2)会发现这是一个不错的解决方案。
  
         由于满充的锂离子电池初始电压为4.2V，因此LDO效率初始值为78%，随着电池电压的降低效率也随之增加。
         降压-升压转换器解决方案
         降压-升压拓扑结构正在得到广泛的应用。这种拓扑结构整合了前面讨论的所有其他解决方案的最佳特性。正如其名一样，它提供“降压和升压”功能，可以百分之百地利用电池容量。
         根据具体的降压-升压转换器实现方式，降压-升压转换器可以具有非常高的效率。例如， TI公司的全集成降压-升压转换器TPS63000在进行3.6V到3.3 V的转换中效率可达95%左右。非常高效率地使用整个电池容量提供了所有解决方案中最长的使用时间。集成了功率开关、补偿器件和反馈电路的完全集成的降压-升压转换器解决方案的尺寸非常小。需要的外部器件仅仅包括输入电容、输出电容和电感，就器件数量和方案尺寸而言，可以与降压方案媲美。单芯片的高集成度IC解决方案有助于使总体成本最小。
         图2显示了降压-升压电源等级。该拓扑结构由一个降压电源级和一个升压电源级组成，降压电源级的两个功率开关通过功率电感连接到降压电源级的两个功率开关。这些开关可以用三种不同的工作模式进行控制：降压-升压模式、降压模式和升压模式。一种特殊的IC工作模式是输入-输出电压比、IC控制拓扑的函数。
  
  图2：降压-升压电源级。
         不是所有的降压-升压转换器都是相同的
         在便携式应用中采用降压-升压转换器的情况已经存在很长一段时间了。当涉及到效率和尺寸大小的时候，通常这些降压-升压转换器有很严格的要求。硅片和封装技术只是在最近才发展到能在一个小封装中用一个合适的控制环集成4个MOSFET开关。有几种降压-升压转换器可供选择，但是通常这些降压-升压转换器具有很不一样的工作特性。
         尽管不同的降压-升压解决方案具有相同的电源级拓扑，但它们具有差异很大的控制电路。有三种标准的降压-升压转换器。第一种在每个开关周期内所有四个MOSFET都工作。这将产生典型的降压-升压波形。仔细分析这些波形可以发现通过电感和MOSFET的均方根(RMS)电流远远高于标准的降压或升压转换器。这导致降压-升压拓扑的导通和开关损耗增加。四个开关同时工作还增加了栅极驱动损耗，在较低的输出电流下，这会极大地降低效率。
         第二种降压-升压控制方案比较新，每个开关周期只有两个MOSFET工作，因此降低了损耗。参见图2，这种控制方案工作在三种不同的模式。当Vin大于Vout时，转换器打开Q4，关闭Q3。然后像经典的降压转换器一样，控制Q1和Q2。当Vin低于Vout，控制电路打开Q2并关闭Q1。然后像经典的升压转换器一样控制Q3和Q4。这种控制模式在降压和升压模式之间的转换期间存在几种控制和操作问题。这些问题的解决办法是在转换期间以典型的降压-升压模式工作。在这种工作模式下，所有四个开关都是可操作的。降压-升压模式消除了控制问题。然而，它在转换期间的效率大大降低，因为增加了开关损耗，并增加了RMS电流。不幸的是，转换期电压接近于可以获得大部分能量的电池电压。因此，在电池放电曲线的很大一部分区域内转换器都工作在低效率的降压-升压模式。
         第三种降压-升压控制方案通过消除降压和升压模式之间的过渡区而大大地改善了性能和效率。德州仪器公司的TPS63000降压升压转换器包含先进的控制拓扑，能消除传统的降压-升压问题。无论是什么工作条件，TPS63000在每个开关周期内只有两个开关工作。因此可以在整个电池放电曲线上减少功率损耗，并保持高的效率。与某些解决方案不同的是，TPS63000集成了所有的补偿电路，只需要三个外部元件，因此降低了方案的尺寸。
         图3横向比较了四种锂离子电池到3.3V转换解决方案的电池放电曲线和运行时。这些解决方案分别是“级联的降压和升压”、单降压、LDO和TPS63000降压-升压转换器。
  
  图3：锂离子电池到3.3V解决方案的运行时
         其配置采用了满充的18650锂离子电池，容量为1650mAHr。负载电流设置为500mA，系统关断的条件定义为在3.3V电压轨掉到初始设置点下的5%处。每种配置都使用相同的电池，从而消除因为电池容量差异导致的数据偏差。正如预期的那样，LDO的运行时间只有190分钟，降压-升压拓扑获得最长的运行时间，为203分钟，而级联的降压和升压”解决方案运行时间最短，只有175分钟。表1对实际系统中的几种关键要素作了比较。

         其它考虑
         图3的数据是根据恒定直流负载得到的。这是一种典型的平台测试，但是在实际的应用中并不典型。为最大化便携式应用的运行时，负载只是在需要时打开，在不需要时关断。显示器、处理器和功率放大器就是负载的一些实例，会对系统电池产生显着的瞬态变化。这些负载变化会因为电池的内部源阻抗、保护电路以及分布总线阻抗而导致在电池总线上产生压降。当在放电周期的末期发生负载的变化时，它们可以将电池电压拖到3.3V以下。在采用降压和LDO方案时，这会导致系统较早地关断。而降压-升压解决方案可继续工作在这些瞬态条件下，因此能延长系统的工作时间。
         负载瞬变在实验室测试时表现得并不严重，但是在实际中会很糟糕。这是因为在150个充电/放电周期后，锂离子电池的内部阻抗将倍增。与25摄氏度的工作温度相比，0度的内部阻抗也会倍增。图4显示了当发生负载瞬变时锂离子电池的内部总线电压。降压转换器和降压-升压转换器有很稳定的250mA负载，而电池总线被加上了一个500mA的瞬态负载，此时降压转换器输出将下降到调节范围之外