如何實現(xiàn)便攜式產(chǎn)品電池的物盡其用

在許多諸如手機、智能電話、數(shù)字媒體播放器或數(shù)碼相機等便攜式產(chǎn)品的設計中正出現(xiàn)一種增加功能或提升性能的發(fā)展趨勢。這通常是通過使用一些功能更為強大的處理器并添加更為復雜的模擬電路來實現(xiàn)，但其結(jié)果是使應用電路的功耗更高。通過增加電池容量可以滿足日益增長的功耗需求，但這就需要更大容量的電池或者改進電池技術。通常，人們不會選擇增大電池尺寸，因為外殼尺寸有限。由于當前電池技術的進步以及新型技術的發(fā)展并不能滿足相同尺寸水平的高功耗要求，因此需要更多先進的電源管理電路。與此同時，對小型解決方案的需求使這種挑戰(zhàn)變得更為棘手。

過去，為了獲得要求的性能，只需使用數(shù)個線性穩(wěn)壓器即可。這些穩(wěn)壓器被直接連接至電池，以產(chǎn)生要求的系統(tǒng)電壓軌。便攜式產(chǎn)品中使用的許多電源管理單元只使用了一些線性穩(wěn)壓器來對功耗進行控制。當時已經(jīng)運用的典型電池技術為3節(jié)NiCd或NiMH電池組。同時，這些化學特性已經(jīng)幾乎全部被單節(jié)鋰離子電池所取代，因為這些鋰離子電池具有更高的性能。隨著許多應用對電流需求的增長，一些線性穩(wěn)壓器已經(jīng)被更為昂貴卻更加高效的降壓轉(zhuǎn)換器取而代之。諸如處理器內(nèi)核和I/O的一些電源軌通常就是這樣產(chǎn)生的。

由于線性穩(wěn)壓器和降壓轉(zhuǎn)換器僅能在其輸入電壓較高時對輸出端電壓進行調(diào)節(jié)，因此，如果電池電壓降低至已編程的輸出電壓以下時，那么就需要將該系統(tǒng)關閉。一個線性穩(wěn)壓器的最小壓降裕度或電感和開關上的壓降裕度都必須加到輸出電壓之中。因此，對于一個來自一節(jié)鋰電池的典型3.3V電壓軌來說，系統(tǒng)關閉的典型電池電壓為3.4V。當放電至3.0V時出現(xiàn)的剩余電量在此情況下將不會使用到。測量顯示，當前鋰離子電池中的剩余電量大約為10%。這就是說，能夠利用這一剩余電量的任何電源管理解決方案都必須能夠在一個高于降壓轉(zhuǎn)換器解決方案效率減去10%以后的效率下工作。換句話說，任何使用97%平均效率的降壓轉(zhuǎn)換器的替代解決方案都必須至少在一個比87%更高的平均效率下運行，以延長應用一次電池充電的運行時間。對于許多降壓-升壓轉(zhuǎn)換器解決方案來說，這是一個巨大的挑戰(zhàn)。SEPIC或反向解決方案的一般效率為經(jīng)濟可行解決方案85%的最大范圍。為了獲得這一效率，已經(jīng)考慮使用諸如同步整流的多種提高效率的方法，同時這種解決方案的尺寸會比降壓轉(zhuǎn)換器大。4開關降壓-升壓轉(zhuǎn)換中總是有2個開關同時開關，在一個非常優(yōu)化的解決方案中，使用這種降壓轉(zhuǎn)換將會產(chǎn)生同樣的效率(85%)。因此，從這一角度來看，使用一個降壓-升壓轉(zhuǎn)換器并不能起作用，也正由于這個原因人們過去未曾考慮使用這種降壓轉(zhuǎn)換器。

但是，還存在一些其他的挑戰(zhàn)。例如，手機在數(shù)據(jù)傳輸期間使用高電流脈沖來驅(qū)動其RF-PA。這些脈沖電流可以直接從電池獲得，其可引起電池阻抗和電池連接器上額外的壓降。由于低電源電壓，這可能會使系統(tǒng)電壓監(jiān)控器在出現(xiàn)電流脈沖時關閉系統(tǒng)。手機中基于LED的相機閃光燈應用，或在媒體播放器應用中啟動硬盤驅(qū)動器，都會在電池上產(chǎn)生類似的影響。由于老化或低溫導致電池阻抗的增加使這些問題變得更為嚴重。在此情況下，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可用于應對關鍵系統(tǒng)電壓軌的電壓降。這就使系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定可靠，同時還允許更低的電池電壓放電。

除此以外，電池也正得到改進。通常，增加電池容量會伴隨著使用更寬的輸出電壓范圍。例如，利用未來的鋰電池技術，電池可以被充電至高達4.5V，同時可以被放電低至2.3V。取一個中間電壓3.4V，其就可以使電池容量相當大的一部分處于未使用狀態(tài)。還有一些正處于開發(fā)階段的電池技術將可以在3.4V電壓以下出色地工作(例如Li-S)。

在此情況下，肯定會需要降壓-升壓轉(zhuǎn)換。解決這一問題的一種簡單方法是，生成一個較高的系統(tǒng)電壓軌(例如5V)，其可以用于生成所有系統(tǒng)電壓軌，這些電壓軌高于電池的截止電壓。通過使用一個較大的高效升壓轉(zhuǎn)換器和級聯(lián)降壓轉(zhuǎn)換器可以完成這一工作?？傠娫崔D(zhuǎn)換效率可以輕松地達到90%以上。不幸的是，更多的升壓轉(zhuǎn)換器需要更多的空間，而在便攜式手持設備中通常并不具備這樣的空間。

另外一個選擇是使用一個降壓-升壓轉(zhuǎn)換器來直接從電池生成系統(tǒng)電壓軌。正如上面所述，電源轉(zhuǎn)換效率是設計一款具有競爭力電源管理解決方案的關鍵因素。另一個重要的因素是解決方案的尺寸?？紤]到這一點，基于SEPIC或反向拓撲結(jié)構(gòu)的降壓-升壓轉(zhuǎn)換解決方案并不適合，因為其需要更多較大體積的無源元件，而且通常效率較低。一個使用4個開關的單電感解決方案具有滿足這些要求的最大潛能。但是，在一個簡單驅(qū)動器方案中，其在運行中任何時候都有2個開關同時在工作，使用這種解決方案不但犧牲了效率，而且還提高了對于電感和開關尺寸的要求，因為存在流經(jīng)這些組件較高的RMS電流。僅有源地驅(qū)動這些開關的一側(cè)，意味著總是將該器件以一個降壓或升壓轉(zhuǎn)換器來運行可以實現(xiàn)最高效率，同時較低的RSM電流還帶來了最小的解決方案尺寸。在此情況下，降壓和升壓轉(zhuǎn)換在兩種拓撲結(jié)構(gòu)均具有最高效率的工作點上得到完成。圖1中效率與升壓(TPS61020)和降壓(TPS62046)轉(zhuǎn)換器輸入電壓曲線的關系實例顯示了這一情況。

圖1 升壓(TPS61025)和降壓(TPS62046)轉(zhuǎn)換器效率曲線與輸入電壓的關系曲線

圖2顯示了效率與一款諸如TPS63001的優(yōu)化的降壓-升壓解決方案輸入電壓的關系曲線，其顯示了這種控制方法的完美實施。

圖2 降壓-升壓轉(zhuǎn)換器TPS63000效率與輸入電壓的關系曲線

正如前面所預測的那樣，當對獨立升壓和降壓轉(zhuǎn)換器的效率曲線進行討論時，其在輸入和輸出電壓接近時達到最高效率。由于這是最為可能的降壓-升壓運行狀態(tài)，因此TPS63001完美地解決了該應用出現(xiàn)的一些問題。正如我們在圖2中看到的一樣，該優(yōu)化控制方案可獲得臨界工作輸入和輸出電壓狀態(tài)下95%范圍內(nèi)的效率。TPS63001還可以用于延長由標準鋰離子電池供電的應用的運行時間。只要在集成的安全電路允許的范圍，將電池放電至3.0V或者甚至2.5V時將其完全充電，可以達到這一目標。圖3顯示了使用TPS63000將一節(jié)電池放電至2.5V的電源轉(zhuǎn)換效率。同基于高性能降壓轉(zhuǎn)換器的電源解決方案(TPS62046)相比，兩個轉(zhuǎn)換器架構(gòu)均使用相同負載的情況下，電池使用時間可以延長15%。

圖3 降壓-升壓和降壓轉(zhuǎn)換器在電池放電期間的效率