鋰離子電池使用壽命延長的最新電源解決技術

對于便攜式電源應用而言，要充分利用高級電池技術體積小、能量密度大的優(yōu)點，就必須在整個電池放電電壓范圍內實現高效工作。這對于要求3.3V總線的鋰離子電池供電系統而言是個設計難題。盡管標準降壓轉換器在將4.2~3.0V鋰離子電池降至1.8V等低輸出電壓時具有很高的轉換效率，而標準升壓轉換器在將鋰離子電池轉換至5V等更高輸出電壓時也有很高的轉換效率，但上述兩種轉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多等缺點。采用三種配置的TpS6300x均可解決這些問題。TpS63000的可調輸出范圍是1.2~5.5V。TpS63001及TpS63002的固定輸出電壓分別為3.3V及5.0V。上述產品均采用小型10引腳QFN(DRC)封裝。

TITpS63001具有部件數最少、電路板面積小、成本較低等特點，且能夠將鋰離子電池輸入電壓高效轉換為3.3V總線電壓。單個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FET、補償與保護功能等。只需三個外部部件即可保證工作：輸入與輸出電容器及電感器。該轉換器的峰值效率為96%(如圖1所示)，峰值輸出電流為800mA，其電流足以為大多數便攜式負載供電。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負載(VOUT=3.3V))。

圖2為單個鋰離子電池供電的典型3.3V電源。由于開關頻率為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將整體解決方案尺寸降至6x6毫米(如圖3所示)。

圖2：典型應用電路。

高級控制拓撲實現效率最大化

TpS6300x采用如圖4所示的標準H橋升降壓功率級，同時包含與單個電感器連接的降壓及升壓兩種開關FET配置。TpS6300x采用專有調制器設計，每次只開關其中兩個FET，這種控制機制顯著降低了不必要的開關損耗，與標準升降壓模式連續(xù)同時開關四個FET不同。TpS6300x的降壓或升壓模式比傳統的升降壓模式的工作效率更高，進一步降低了功率損耗。

圖3：6x6毫米板級空間內的典型布局。

當鋰離子電池放電至低于3.3V時，升降壓轉換器必須從降壓模式轉變?yōu)樯龎耗Ｊ?。在該轉換點，許多升降壓控制機制會出現效率下降、電源抖動或輸出電壓不穩(wěn)的情況。TpS6300x可根據需要在降壓與升壓模式間以逐脈沖方式進行無縫轉換，因而能夠在升壓與降壓范圍內提供恒定的pWM開關，而不會在兩個模式間產生疊加或停滯時間。

圖4：電源部分結構圖。

其它特性

TpS6300x還包含其它集成特性，便于增強便攜式應用中的使用體驗，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噪聲的外部同步等。

平均電流模式控制拓撲在降壓與升壓模式下均能提供快速瞬態(tài)響應與低輸出紋波。在輸入與負載范圍內，輸出穩(wěn)壓容限為±1%。內部補償針對具備10至22μF輸出電容器的2.2~4.7μH外部電感器進行了優(yōu)化。

短路保護起到反向電流保護的作用，當輸出電壓降至3%時，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正常工作。這種方法的優(yōu)點是能夠對超級電容器等類型的大輸出電容器進行充電。

pS模式即使是在低于300mA的輕負載下也能保持很高的效率。pS模式下，開關時間只能保證將輸出電壓升至略高于輸出電壓設定點，隨后則停止開關直至輸出電壓再次降至設定點以下。這種“先開再關”的開關模式在輕負載下的效率很高。

其它應用

TpS6300x還能在電流調節(jié)模式下驅動白光LED(WLED)，即在WLED回路中用電阻替換輸出分壓網絡。由于WLED的典型正向壓降為4.2~3.5V，在大多數電源拓撲中用鋰離子電池供電都有問題，原因是電源需要同時對其輸出電壓進行降壓與升壓。TpS6300x的升降壓功能則很好地解決了這個問題，能夠為噴燈或閃光燈應用輕松提供500mA電流。

本文小結

TpS6300x是將鋰離子電池電壓轉換為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、升降壓模式無縫轉換等特點，是幫助設計工程師完成高性能、快速設計的理想選擇。