如何實現便攜式產品電池的物盡其用

摘要：本文通過實例闡明了要怎么樣實現便攜式產品電池的物盡其用。關鍵詞：便攜式產品；線性穩壓器；降壓-升壓轉換器；電池

在許多諸如手機、智能電話、數字媒體播放器或數碼相機等便攜式產品的設計中正出現一種新增功能或提升性能的發展趨勢。這通常是通過使用一些功能更為強大的解決器并添加更為復雜的模擬電路來實現，但其結果是使使用電路的功耗更高。通過新增電池容量可以滿足日益上升的功耗需求，但這就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展并不能滿足相同尺寸水平的高功耗要求，因此要更多先進的電源管理電路。與此同時，對小型處理辦法的需求使這種挑戰變得更為棘手。

過去，為了獲得要求的性能，只需使用數個線性穩壓器即可。這些穩壓器被筆直連接至電池，以出現要求的系統電壓軌。便攜式產品中使用的許多電源管理單元只使用了一些線性穩壓器來對功耗進行控制。當時已經運用的典型電池技術為3節NiCd或NiMH電池包。同時，這些化學特性已經幾乎全部被單節鋰電池所取代，因為這些鋰電池具有更高的性能。隨著許多使用對電流需求的上升，一些線性穩壓器已經被更為昂貴卻更加高效的降壓轉換器取而代之。諸如解決器內核和I/O的一些電源軌通常就是這樣出現的。

由于線性穩壓器和降壓轉換器僅能在其輸入電壓較高時對輸出端電壓進行調節，因此，倘若電池電壓降低至已編程的輸出電壓以下時，那么就要將該系統封閉。一個線性穩壓器的最小壓降裕度或電感和開關上的壓降裕度都非得加到輸出電壓之中。因此，關于一個來自一節鋰電池的典型3.3V電壓軌來說，系統封閉的典型電池電壓為3.4V。當放電至3.0V時出現的剩余電量在此情況下將不會使用到。測量顯示，當前鋰電池中的剩余電量約莫為10%。這就是說，能夠利用這一剩余電量的任何電源管理處理辦法都非得能夠在一個高于降壓轉換器處理辦法效率減去10%以后的效率下工作。換句話說，任何使用97%均勻效率的降壓轉換器的替代處理辦法都非得至少在一個比87%更高的均勻效率下運行，以延長使用一次電池充電的運行時間。

關于許多降壓-升壓轉換器處理辦法來說，這是一個巨大的挑戰。SEpIC或反向處理辦法的一般效率為經濟可行處理辦法85%的最大范圍。為了獲得這一效率，已經考慮使用諸如同步整流的多種提高效率的辦法，同時這種處理辦法的尺寸會比降壓轉換器大。4開關降壓-升壓轉換中總是有2個開關同時開關，在一個非常優化的處理辦法中，使用這種降壓轉換將會出現同樣的效率(85%)。因此，從這一角度來看，使用一個降壓-升壓轉換器并不能起用途，也正由于這個原由人們過去未曾考慮使用這種降壓轉換器。

但是，還存在一些其他的挑戰。例如，手機在數據傳輸期間使用高電流脈沖來驅動其RF-pA。這些脈沖電流可以筆直從電池獲得，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，這可能會使系統電壓監控器在出現電流脈沖時封閉系統。手機中基于LED的相機閃光燈使用，或在媒體播放器使用中啟動硬盤驅動器，都會在電池上出現類似的影響。由于老化或低溫導致電池阻抗的新增使這些問題變得更為嚴重。在此情況下，降壓-升壓轉換器可用于應對關鍵系統電壓軌的電壓降。這就使系統運行更加穩定可靠，同時還準許更低的電池電壓放電。

除此以外，電池也正得到改進。通常，新增電池容量會伴隨著使用更寬的輸出電壓范圍。例如，利用將來的鋰電池技術，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。還有一些正處于開發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，肯定會要降壓-升壓轉換。處理這一問題的一種簡單辦法是，生成一個較高的系統電壓軌(例如5V)，其可以用于生成所有系統電壓軌，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換器和級聯降壓轉換器可以完成這一工作。總電源轉換效率可以輕松地達到90%以上。不幸的是，更多的升壓轉換器要更多的空間，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-升壓轉換器來筆直從電池生成系統電壓軌。正如上面所述，電源轉換效率是設計一款具有競爭力電源管理處理辦法的關鍵因素。另一個緊要的因素是處理辦法的尺寸。考慮到這一點，基于SEpIC或反向拓撲結構的降壓-升壓轉換處理辦法并不適合，因為其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個開關的單電感處理辦法具有滿足這些要求的最大潛能。但是，在一個簡單驅動器辦法中，其在運行中任何時候都有2個開關同時在工作，使用這種處理辦法不但犧牲了效率，而且還提高了關于電感和開關尺寸的要求，因為存在流經這些組件較高的RMS電流。僅有源地驅動這些開關的一側，意味著總是將該器件以一個降壓或升壓轉換器來運行可以實現最高效率，同時較低的RSM電流還帶來了最小的處理辦法尺寸。在此情況下，降壓和升壓轉換在兩種拓撲結構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)轉換器輸入電壓曲線的關系實例顯示了這一情況。

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