一文知道如何選擇電源拓撲

一文知道如何選擇電源拓撲

網絡整理 發表於 2019-11-30 09:44:08

「尺寸更小、成本更低、效率更高」是市場對新一代可攜式設備的要求，但設計工程師很難對這三種需求進行獨立優化。優化解決方案必須依據整體系統需求，對尺寸、成本及工作效率等因素進行綜合考慮。對設計工程師而言，電源拓撲的選擇多種多樣，其中包括降壓轉換器、低壓降穩壓器(LDO)、降壓/升壓轉換器等，但它們各有利弊，選用時應進行權衡。

本文將討論各種電源拓撲，尤其是在將鋰離子電池電壓轉換為3.3V電壓 電壓軌(大多數可攜式設備的電源電壓)時的利弊。本文還將說明降壓/升壓轉換器的不同應用，並解釋降壓/升壓轉換器的解決方案需「量身定做」的原因。

從圖1可以看出，將鋰離子電池電壓轉換為3.3V電壓軌的設計很有挑戰。在充滿電的情況下，典型的鋰離子電池放電曲線的起始電壓為4.2V。X軸起始點為「-5分鐘」，對應的電壓為電池充滿電時的開路電壓。在「0分鐘」時，電池接入負載，由於內部阻抗以及保護電路的作用，電壓開始下降。電池電壓緩慢降至約3.4V，然後電壓開始快速下降，原因是放電周期已接近終點。為充分利用電池儲存的電量，3.3V電壓軌需要在放電周期的大部分時間裡使用步降轉換器，而在放電周期的剩餘時間裡使用升壓轉換器。

圖 1：1650mA-hr 18650 鋰離子電池放電曲線。

鋰離子電池電壓如何有效生成3.3V電壓軌的問題由來已久，其解決方案也是多種多樣。本文討論幾個常用解決方案，包括級聯降壓與升壓、降壓/升壓、降壓以及LDO電源拓撲等，並討論每種設計方案的利弊，以及系統運行時間的測量與對比。

級聯降壓與升壓轉換器解決方案

級聯降壓與升壓轉換器包含降壓轉換器和升壓轉換器兩個獨立且分離的轉換器。降壓轉換器將電壓穩定在中電壓(如1.8V)，而升壓轉換器則將中電壓升高至3.3V。由於能夠100%地利用電池電量，所以該架構非常適用於要求較低電壓軌的系統。但由於採用了兩段轉換機制，從效率的角度考慮，這並不是最佳解決方案。

有效的功率轉換效率是降壓穩壓器效率與升壓穩壓器效率之積。工作在上述電壓條件下，降壓與升壓轉換器的典型效率值均為90%，因此3.3V轉換器的有效功率轉換效率為90%×90%=81%。由於該架構包含兩個獨立的轉換器，所以元件數量與系統體積均增加了，不但難以應用在小型可攜式產品中，而且還增加了成本。

獨立的降壓轉換器解決方案

採用降壓轉換器也能使鋰離子電池電壓轉換成3.3V電壓，但該方案常常被忽略，並未得到廣泛應用。設計工程師在觀察電池放電曲線(如圖1所示)後一般會放棄這個解決方案，這是因為從電池完全放電曲線(如圖1所示)可看出，降壓穩壓器無法生成3.3V電壓軌。當降壓轉換器的輸入電壓下降到接近輸出電壓時，很多降壓轉換器會進入100%佔空比模式。在此條件下，轉換器停止轉換，將輸入電壓直接進行輸出。在100%佔空比模式下，輸出電壓等於輸入電壓減去轉換器的壓降。該壓降由(MOSFET導通電阻、輸出電感的直流電阻及負載電流決定，這樣便設定了仍處於穩壓範圍的最小電池電壓。假設系統認為3.3V電壓軌下降5％仍處於穩壓範圍，則用下面等式可計算出系統工作的最小電池電壓。

Vbattery_min=Vout_nom×0.95+(Rdson+RL)×Iout(1)

其中：Vout_nom為額定值3.3V，Rdson為功率MOSFET導通電阻，RL為輸出電感dc電阻，Iout為轉換器3.3V時的輸出電流。

當電池電壓降至Vbattery_min時，系統在低於最小容限時必須關閉，以避免運行在3.3V電壓軌上而損壞數據。即使電池仍剩餘5～15％電能，系統也有可能關閉。系統關閉前還剩餘多少電池電能多少取決於元件電阻、負載電流、電池的新舊以及環境溫度等多種因素。

大多數設計工程師會因為這個原因而放棄採用單獨的降壓拓撲，但仔細研究系統實際運行時間就會發現，標準降壓/升壓、級聯降壓以及升壓拓撲的轉換效率比單獨的降壓轉換器的效率低得多。儘管這些拓撲能充分利用電池電量，但效率卻遠低於降壓轉換器。很多情況下，單獨降壓轉換器的運行時間比其他兩種拓撲都長。直到2005年，全集成降壓轉換器才被視為生成3.3V電壓軌的最佳選擇。

低壓降穩壓器解決方案

另一種不常用的解決方案是LDO，與「單獨的降壓」方案類似，LDO無法完全利用全部電池電量，原因是只有當輸入電壓大於輸出電壓與LDO壓降之和時，才能起到穩壓作用。如果LDO的壓降為0.15V，則當電池電壓低於3.3V+0.15V=3.45V時，3.3V輸出電壓開始下降。由於採用這個解決方案而無法充分利用的電池電能，有可能比單獨的壓降解決方案多得多。儘管有這樣的缺點，但LDO在一定的環境下也有優勢。

通常情況下LDO解決方案的尺寸最小，因此當主系統對空間有嚴格要求時，它是一種理想選擇。LDO解決方案的成本通常也是最低的，因此非常適用於低成本應用。眾多設計工程師因LDO低效而放棄採用該方案，但是仔細研究後可以發現，該應用中的效率還是不錯的：

當充滿電的鋰離子電池的起始電壓為4.2V時，LDO的初始效率為78％，且其效率隨電池電壓的降低而上升。

降壓/升壓轉換器方案

降壓/升壓拓撲的應用非常廣泛。這種拓撲結合了上述其他解決方案的所有優點。顧名思義，該拓撲同時具有降壓、升壓兩種功能，因此可以100%利用電池電量。

降壓/升壓轉換器的部署方式決定了其具有極高的轉換效率。例如，德州儀器(TI)全集成降壓/升壓轉換器TPS63000在從3.6V降至3.3V過程中，轉化效率達到了95％左右。高轉換率意味著可以充分利用電池電量，從而實現最長運行時間。與降壓解決方案的元件數量與體積相比，集成了功率開關、補償元件以及反饋電路的全集成降壓/升壓轉換器均不處於劣勢，而且外部組件僅需輸入電容、輸出電容和電感。高度集成的單晶片IC解決方案有助於降低系統總體成本。

降壓/升壓功率級如圖2所示，該拓撲由帶2個功率開關的降壓功率級和帶2個功率開關的升壓功率級組成，這兩個功率級通過功率電感器相連。這些開關可以在三種不同模式下工作：降壓/升壓模式、降壓模式以及升壓模式。特定的IC運行模式具有特定的輸入輸出電壓比和IC控制拓撲。

圖 2：降壓/升壓功率級由帶 2 個功率開關的降壓功率級和帶 2 個功率開關的升壓功率級組成。

降壓/升壓轉換器不盡相同

可攜式應用對降壓/升壓轉換器的需求由來已久，但對其尺寸與效率的要求通常非常嚴格。直到最近，半導體封裝技術才發展到可以將4個MOSFET開關及相應的控制環路集成到小型封裝中。

儘管不同的降壓/升壓解決方案具有相同的功率級拓撲，但控制電路相差很大。現有3款標準降壓/升壓轉化器已供貨，第一款在每個開關周期中4個MOSFET開關均處於工作狀態，此類工作模式可以產生標準的降壓/升壓波形。仔細分析這些波形可以發現，通過電感器和MOSFET的有效電流(RMS)比標準降壓或升壓轉換器高很多，這將導致標準降壓/升壓轉換器的傳導損耗及開關損耗增加。同步運行4個開關也會提高門驅動損耗，從而使低輸出電流狀態下的效率急劇下降。

第二款新型降壓/升壓控制方式在每個開關周期只運行2個MOSFET，從而降低了損耗。從圖2可以看出，這種控制方案可以運行於三種不同模式。當Vin大於Vout時，轉換器打開Q4並關閉Q3，然後將Q1及Q2作為標準降壓轉換器使用；當Vin小於Vout時，控制電路打開Q2並關閉Q1，然後將Q3及Q4作為標準升壓轉換器使用。但這種控制模式在降壓與升壓模式間的轉換區會出現一些運行和控制問題。為解決這些問題，可在轉換過程採用標準降壓/升壓模式。因為在標準降壓/升壓工作模式下，所有4個開關均處於工作狀態，所以能夠解決這些控制問題。但開關損耗與RMS電流的提高使得轉換區中的效率驟降，而且這個效率驟降區接近電池電壓(大部分電池電量在此時提供)，所以在電池放電曲線的大部分區域，轉換器工作於低效的降壓/升壓模式下。

第三款降壓/升壓控制模式消除了降壓與升壓模式間的轉換區域，所以在性能與效率方面得以顯著提高。TI的TPS63000降壓/升壓轉換器包含先進的控制拓撲，從而能夠解決標準降壓/升壓轉換器所面臨的各種問題。無論運行於何種模式下，TPS63000在每個開關周期僅有兩個開關處於工作，這不僅減少了功耗，而且還在電池完全放電曲線過程中保持高效率。與一些解決方案不同的是，TPS63000集成了所有補償電路，而且僅需3個外部組件便可運行，從而實現產品尺寸最小化。

圖3為4種解決方案中鋰離子電池電壓下降到3.3V時的放電曲線與運行時間的對應關係。

這些解決方案包括級聯降壓與升壓轉換器、單獨的降壓轉換器、LDO轉換器以及TPS63000降壓/升壓轉換器。圖中採用具有1650mAHr容量且充滿電的18650鋰離子電池。負載電流為500mA，當3.3V電壓軌電壓低於最初設定值5％時系統關閉。這裡要求使用同一電池以避免因電池容量差異而導致數據偏差。和我們預期的一樣，LDO的運行時間較短，僅為190分鐘，而降壓/升壓轉換器的運行時間最長，達到了203分鐘，級聯降壓/升壓解決方案的運行時間最短，僅為175分鐘。

其它需要考慮的因素

圖3數據是在恆定直流負載條件下測得，這是性能測試的通用做法，但卻與實際應用有區別。為使可攜式應用的運行時間長，只有在需要時才連接負載，在不需要時應斷開負載。顯示器、處理器及功率放大器是在系統電池上產生明顯瞬態電流的主用來源，它們的負載變動幅度將會由於電池內部源電阻、保護電路及分布總線阻抗而導致電池總線上的電壓降低。若這些負載變動幅度發生在放電周期的最後階段，則能將電池電壓降至3.3V以下。若採用降壓或LDO解決方案則可能導致系統提前關機，而降壓/升壓解決方案則會度過瞬態繼續運行，從而延長系統運行時間。

實驗室測試過程中並不明顯的負載瞬態電流在實際應用中卻異常明顯，原因是鋰離子電池經過150個充電/放電周期後，其內部阻抗增加了一倍；當工作溫度在0?C～25?C之間，其內部阻抗也會增加一倍。

本文小結

鋰離子電池電壓轉換為3.3V的設計方案眾多，設計工程師可以根據系統特定要求選擇最佳解決方案。降壓/升壓轉換器適用於大多數系統，原因是它具有最長的運行時間、最小的尺寸以及相對較低的成本，是大多數可攜式應用的最佳整體解決方案。

選擇降壓/升壓轉換器時必須清楚各種降壓/升壓轉換器的特性並不相同，一定要注意運行模式、整個電池運行階段的效率以及解決方案整體尺寸等因素。

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