為便攜式應(yīng)用選擇正確的升壓/降壓型穩(wěn)壓器

引言

便攜式設(shè)備廣泛使用的電源為單節(jié)鋰離子電池，其充滿電時(shí)為4.2V，放完電時(shí)為2.8V。然而，便攜式電子設(shè)備中的某些功能，例如SIM卡和DSP，要求2.8V和3.3V電壓。這些電壓一般由低噪聲LDO提供。LDO輸入(VCC)電壓必須稍高于LDO的最大輸出電壓。然而，VCC恰恰在鋰離子電池工作范圍的中段停止工作。所以，使用升壓/降壓型穩(wěn)壓器，能夠在輸入電壓高于或低于輸出電壓時(shí)工作，就變得非常必要。圖1所示為典型便攜式設(shè)計(jì)中使用電池電壓(VBAT)作為電源的應(yīng)用。

圖1.由升壓/降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)定的LDO輸入電壓

便攜式應(yīng)用中，效率越高工作時(shí)間就越長(zhǎng)，所以穩(wěn)壓器效率最為重要。本文回顧可供使用的選擇，對(duì)其性能進(jìn)行比較，并確定效率最高的方案。

旁路/升壓

解決該問(wèn)題的方式之一是使用旁路/升壓轉(zhuǎn)換器，也就是帶有外部“旁路”晶體管的升壓轉(zhuǎn)換器;晶體管集成在電源(VBAT)與LDO輸入(VCC)之間。圖2所示為旁路/升壓電源鏈結(jié)構(gòu)及其操作表。其中旁路晶體管T3完成“低效”的降壓操作。 20160702fig2

圖2.旁路/升壓電源鏈及操作表

該結(jié)構(gòu)只能調(diào)節(jié)低于設(shè)定的VCC = 3.4V的VBAT電壓。如果VBAT > 3.4V，升壓轉(zhuǎn)換器停止調(diào)節(jié)，傳輸晶體管導(dǎo)通，直接將VBAT連接至VCC。圖3所示為電池放電特性，以及旁通/升壓結(jié)構(gòu)下的LDO輸入電壓。

圖3.旁路/升壓操作下的LDO輸入電壓特性

大部分時(shí)間(VBAT > 3.4V)，旁通/升壓結(jié)構(gòu)中的傳輸晶體管原封不動(dòng)地將輸入電壓“傳遞”給下游LDO電路。LDO負(fù)責(zé)將高VBAT值降壓至其輸出設(shè)定值。由于這一調(diào)節(jié)過(guò)程是線性的，所以LDO內(nèi)部的功耗較高。這就造成能耗較高，并且也要求電路板設(shè)計(jì)和IC選擇能夠耗散這種能耗。

升/降壓

與旁路/升壓結(jié)構(gòu)相比，該電路中使用的升/降壓轉(zhuǎn)換器自始至終將其輸出穩(wěn)壓至3.4V。此外，穩(wěn)壓過(guò)程完全是開(kāi)關(guān)模式，工作效率較高。圖4所示為升/降壓電源鏈結(jié)構(gòu)及其操作表。

圖4.升/降壓電源鏈及操作表

VBAT > VCC時(shí)，IC工作在Buck (降壓)模式;VBAT < VCC時(shí)，平滑轉(zhuǎn)換至Boost (升壓)工作模式。以高效率、開(kāi)關(guān)模式覆蓋整個(gè)電池電壓范圍。圖5所示為電池放電特性，以及升/降壓結(jié)構(gòu)下的LDO輸入電壓。

圖5.升/降壓操作下的LDO輸入電壓特性

圖6中將兩種工作模式疊加在一起，其中陰影部分中，升/降壓模式的功耗具有明顯優(yōu)勢(shì)。陰影三角區(qū)域表示旁路/升壓操作進(jìn)行線性穩(wěn)壓時(shí)的功率損耗。

圖6.升/降壓與旁路/升壓模式下的LDO輸入電壓特性比較

案例分析

案例分析中，我們將Maxim MAX77801升/降壓IC與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的旁路/升壓IC進(jìn)行比較。每種穩(wěn)壓器都驅(qū)動(dòng)單3.3V LDO，負(fù)載電流為500mA。

圖7.效率測(cè)試配置

圖8所示為比較結(jié)果。實(shí)線表示每種方案的效率，虛線表示其電池電流損耗。和預(yù)期一樣，VBAT低于或接近LDO輸出電壓時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)的效率相似;該范圍之外，在VBAT高于LDO輸出電壓的整個(gè)時(shí)間內(nèi)，升/降壓結(jié)構(gòu)的效率(高于90%)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于旁路/升壓結(jié)構(gòu)的效率(電池滿電量時(shí)低至67%)。這種優(yōu)異的性能是因?yàn)樯?降壓IC能夠在整個(gè)工作范圍內(nèi)以開(kāi)關(guān)模式為L(zhǎng)DO供電。

圖8.升/降壓與旁路/升壓結(jié)構(gòu)的效率比較

結(jié)論

升/降壓結(jié)構(gòu)與旁路/升壓結(jié)構(gòu)的比較證明，升/降壓工作模式在本質(zhì)上具有優(yōu)異的效率。通過(guò)將MAX77801升/降壓方案與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的旁路/升壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)際比較，結(jié)果表明Maxim器件的效率高出達(dá)25%。所以，升/降壓IC是便攜式應(yīng)用的理想方案。