鋰電池使用壽命延長的最新電源處理

鋰電池使用壽命延長的最新電源處理技術

對于便攜式電源使用而言，要充足利用高級電池技術體積小、能量密度大的優勢，就非得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總線電壓的最佳處理方案。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均可處理這些問題。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，如雙節或三節堿性電池及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處理方案尺寸降至6x6毫米(如圖3所示)。

圖2：典型使用電路。

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，同時蘊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。

當鋰電池放電至低于3.3V時，升降壓轉換器非得從降壓模式轉變為升壓模式。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的情況。TpS6300x可依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萌生重疊或停滯時間。

圖4：電源部分結構圖。

其它特性

TpS6300x還蘊含其它集成特性，便于加強便攜式使用中的使用體驗，如極低靜態電流(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電(pS)模式，以及有助于最小化系統噪聲的外部同步等。

均勻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應和與低輸出紋波。在輸入與負載范圍內，輸出穩壓容限為±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。這種辦法的優勢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。

其它使用

TpS6300x還能在電流調節模式下驅動白光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電池供電都有問題，原由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處理了這個問題，能夠為噴燈或閃光燈使用輕松提供500mA電流。

本文小結

TpS6300x是將鋰電池電壓轉換為3.3V總線電壓的理想處理方案。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。

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