延長(zhǎng)鋰離子電池使用壽命的最新電源解決方案

本文簡(jiǎn)介

對(duì)于便攜式電源應(yīng)用而言，要充分利用高級(jí)電池技術(shù)體積小、能量密度大的優(yōu)點(diǎn)，就必須在整個(gè)電池放電電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效工作。這對(duì)于要求3.3V總線的鋰離子電池供電系統(tǒng)而言是個(gè)設(shè)計(jì)難題。盡管標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器在將4.2~3.0V鋰離子電池降至1.8V等低輸出電壓時(shí)具有很高的轉(zhuǎn)換效率，而標(biāo)準(zhǔn)升壓轉(zhuǎn)換器在將鋰離子電池轉(zhuǎn)換至5V等更高輸出電壓時(shí)也有很高的轉(zhuǎn)換效率，但上述兩種轉(zhuǎn)換器均不是生成常用3.3V總線電壓的最佳解決方案。SEPIC及傳統(tǒng)升降壓能夠利用滿電池容量，但卻具有效率低、成本高、電路板面積較大及部件數(shù)多等缺點(diǎn)。采用三種配置的TPS6300x均可解決這些問題。TPS63000的可調(diào)輸出范圍是1.2~5.5V。TPS63001及TPS63002的固定輸出電壓分別為3.3V及5.0V。上述產(chǎn)品均采用小型10引腳QFN(DRC)封裝。

TI TPS63001具有部件數(shù)最少、電路板面積小、成本較低等特點(diǎn)，且能夠?qū)囯x子電池輸入電壓高效轉(zhuǎn)換為3.3V總線電壓。單個(gè)3x3毫米QFN封裝中除集成了升壓與降壓兩種功能外，還包括開關(guān)FET、補(bǔ)償與保護(hù)功能等。只需三個(gè)外部部件即可保證工作：輸入與輸出電容器及電感器。該轉(zhuǎn)換器的峰值效率為96%(如圖1所示)，峰值輸出電流為800mA，其電流足以為大多數(shù)便攜式負(fù)載供電。寬泛的輸入電壓范圍(1.8~5.5V)能夠配合許多常見電源工作，如雙節(jié)或三節(jié)堿性電池及NiMH電池或3.3V與5V總線。

圖：TPS63001效率圖(電壓1.8~5.5V，320mA負(fù)載(VOUT=3.3V))。

圖2為單個(gè)鋰離子電池供電的典型3.3V電源。由于開關(guān)頻率為1.5MHz，因此可以使用小型的2.2μH電感器及0603體積的小型陶瓷輸入、輸出電容器。高效率再加上低外部部件數(shù)將整體解決方案尺寸降至6x6毫米(如圖3所示)。

圖2：典型應(yīng)用電路。

高級(jí)控制拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)效率最大化

TPS6300x采用如圖4所示的標(biāo)準(zhǔn)H橋升降壓功率級(jí)，同時(shí)包含與單個(gè)電感器連接的降壓及升壓兩種開關(guān)FET配置。TPS6300x采用專有調(diào)制器設(shè)計(jì)，每次只開關(guān)其中兩個(gè)FET，這種控制機(jī)制顯著降低了不必要的開關(guān)損耗，與標(biāo)準(zhǔn)升降壓模式連續(xù)同時(shí)開關(guān)四個(gè)FET不同。TPS6300x的降壓或升壓模式比傳統(tǒng)的升降壓模式的工作效率更高，進(jìn)一步降低了功率損耗。

圖3：6x6毫米板級(jí)空間內(nèi)的典型布局。[!--empirenews.page--]

當(dāng)鋰離子電池放電至低于3.3V時(shí)，升降壓轉(zhuǎn)換器必須從降壓模式轉(zhuǎn)變?yōu)樯龎耗Ｊ健Ｔ谠撧D(zhuǎn)換點(diǎn)，許多升降壓控制機(jī)制會(huì)出現(xiàn)效率下降、電源抖動(dòng)或輸出電壓不穩(wěn)的情況。TPS6300x可根據(jù)需要在降壓與升壓模式間以逐脈沖方式進(jìn)行無縫轉(zhuǎn)換，因而能夠在升壓與降壓范圍內(nèi)提供恒定的PWM開關(guān)，而不會(huì)在兩個(gè)模式間產(chǎn)生疊加或停滯時(shí)間。

圖4：電源部分結(jié)構(gòu)圖。

其它特性

TPS6300x還包含其它集成特性，便于增強(qiáng)便攜式應(yīng)用中的使用體驗(yàn)，如極低靜態(tài)電流(低于50μA)，可由使用者選擇的省電模式，在輕負(fù)載情況下保持高效的用戶可選節(jié)電(PS)模式，以及有助于最小化系統(tǒng)噪聲的外部同步等。

平均電流模式控制拓?fù)湓诮祲号c升壓模式下均能提供快速瞬態(tài)響應(yīng)與低輸出紋波。在輸入與負(fù)載范圍內(nèi)，輸出穩(wěn)壓容限為±1%。內(nèi)部補(bǔ)償針對(duì)具備10至22μF輸出電容器的2.2~4.7μH外部電感器進(jìn)行了優(yōu)化。

短路保護(hù)起到反向電流保護(hù)的作用，當(dāng)輸出電壓降至3%時(shí)，輸出限流最大值從1.7A降至800mA。這就降低了輸出過載情況下的器件功耗。過載清除后即可恢復(fù)正常工作。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)Τ?jí)電容器等類型的大輸出電容器進(jìn)行充電。

PS模式即使是在低于300mA的輕負(fù)載下也能保持很高的效率。PS模式下，開關(guān)時(shí)間只能保證將輸出電壓升至略高于輸出電壓設(shè)定點(diǎn)，隨后則停止開關(guān)直至輸出電壓再次降至設(shè)定點(diǎn)以下。這種“先開再關(guān)”的開關(guān)模式在輕負(fù)載下的效率很高。

其它應(yīng)用

TPS6300x還能在電流調(diào)節(jié)模式下驅(qū)動(dòng)白光LED(WLED)，即在WLED回路中用電阻替換輸出分壓網(wǎng)絡(luò)。由于WLED的典型正向壓降為4.2~3.5V，在大多數(shù)電源拓?fù)渲杏娩囯x子電池供電都有問題，原因是電源需要同時(shí)對(duì)其輸出電壓進(jìn)行降壓與升壓。TPS6300x的升降壓功能則很好地解決了這個(gè)問題，能夠?yàn)閲姛艋蜷W光燈應(yīng)用輕松提供500mA電流。

本文小結(jié)

TPS6300x是將鋰離子電池電壓轉(zhuǎn)換為3.3V總線電壓的理想解決方案。其具備效率高、電路板面積小、成本低、升降壓模式無縫轉(zhuǎn)換等特點(diǎn)，是幫助設(shè)計(jì)工程師完成高性能、快速設(shè)計(jì)的理想選擇。