降压-升压型控制器延长手持式设备的电池工作时间

2020-05-28 1071 次浏览

背景

在便携式产品中使用小型、高能量密度现代电池技术的电源应用必须在整个电池放电和再充电电压范围内高效率工作。这给要3.3V总线电压、由锂离子和锂聚合物电池供电的系统带来了设计挑战。尤其是3.3V总线电压要供应大于0.5A的负载电流时，更是这样。虽然降压型转换器擅长以高效率将2.7～4.2V的锂离子电池电压转换成较低的输出电压(如1.8V)，升压型转换器能高效率地出现较高的输出电压(如5V)，但是这两种转换器都不能始终出现3.3V的总线电压。单端主电感转换器(SEpIC)，级联一个升压和降压型转换器等拓扑能利用全部电池电量，但是受到低效率、高成本、占板面积新增、器件数较多和设计复杂性高等缺点的困扰。

单或两节锂离子电池通常用5～9V的交流适配器充电。能够让DC/DC转换器直接用交流适配器取代电池来工作，缩短电池充电时间。当然，这要求转换器不仅能够在最低的电池输入电压下工作，而且还能够用升高的输入电压工作。传统上，由电池供电的手持式设备直接从电池吸取功率，甚至在电池充电时也相同。这种类型的DC/DC转换器还要非常低的静态电流，以在备用或空闲模式下节省电池能量。

同步降压-升压型控制器是理想解决方法

为由单节锂离子电池供电的手持式设备中供应3.3V电源轨是个复杂问题，很多公司都供应了解决方法，凌力尔特公司的LTC3785同步降压-升压型开关稳压DC/DC控制器就是其中之一。其专有的降压-升压拓扑仅要单个电感器，就能用高于、等于或低于输出电压的输入电压以高效率出现固定输出电压。LTC3785以2.7～10V的输入和输出电压工作，非常适用于单节或两节锂离子或锂聚合物电池，或多节碱性镍氢金属、镍镉或碱性电池。这个高度集成的控制器仅使用很少的纤巧外部组件，具有很多可编程功能，如软启动、开关频率和限流门限电压。

效率曲线如图1所示的电路在同步、4开关降压-升压型DC/DC转换器中采用LTC3785控制器，并用2.7～10V输入电压、以高达96%的效率出现3.3V/3A固定输出。LTC3785供应全部N沟道MOSFET栅极驱动，为使用低RDS(ON)单封装多电源开关技术供应了方便。其专有拓扑和控制架构利用MOSFET的RDS来检测正向和反向限流，实现无与伦比的高效率。在想要提高限流准确度时，可以使用检测电阻。另外，LTC3785能以突发模式(BurstMode)工作，将轻负载时的静态电流降至低于100μA，这对延长便携式应用的电池工作时间是至关重要的。LTC3785在停机时还具有真正输出断接能力，确保电池与系统负载的断开。

图1降压-升压型转换器原理图及其效率曲线

先进的控制拓扑最大限度提高效率

LTC3785基于标准H桥式降压-升压功率级，如图2所示。它同时含有降压和升压开关MOSFET，这些MOSFET连接到单个电感器上。与不断地同时开关所有4个MOSFET的标准降压-升压模式不同，LTC3785采用专有设计，每次只开关两个MOSFET。很多降压-升压控制电路在转换点都有效率下降、电源抖动或输出电压不稳定问题。然而，LTC3785在降压、降压-升压和升压工作区之间无缝转换，在所有工作模式下都保持低噪声性能。这个控制电路还极大地降低了不必要的开关和传导损耗，最大限度地提高了转换器的效率。

图2电源部分方框图和工作模式

工作模式

输入电压高于输出电压时，该转换器以降压模式工作，开关A和B转换输入电压，开关D保持接通，L1连接到输出(见图2)。随着输入电压降低并接近输出电压，该转换器接近降压模式工作的最大占空比，电桥的升压部分开始开关，进入降压-升压或4开关工作区。随着输入电压进一步降低，该转换器进入升压区。开关A以最小升压占空比保持接通，电感器连接到输入，开关C和D在输出电容器和地之间转换电感器的输出侧，作为同步升压转换器工作。

实现更高灵活性的其他功能

LTC3785还有其他一些功能可以提高其在便携式应用中的可用性，例如，要极低静态电流以延长电池工作时间。就这类便携式应用而言，该器件能够配置成以突发模式工作，以延长电池工作时间。在突发模式时，LTC3785向输出供应能量，直到输出电压达到稳定状态。达到稳定状态以后，该器件被置于休眠状态，对外部MOSFET的驱动被关断，只有关键电路保持有效，LTC3785消耗不到100μA电流。这期间负载电流由输出电容器供应。当输出电压下降到低于较低的稳压边沿时，该器件“醒来”，并再次开始进行开关操作，重新给输出电容器充电。

通过检测和限制MOSFETA从输入电源吸取的输入电流，LTC3785还供应过载和短路保护。假如达到了用户编程限流值，那么连接到RUN/SS引脚的软启动电容器就被再次用做故障按时器并开始放电。假如限流状态持续足够长时间，该转换器将被禁止，同时启动复位按时器以重启转换器。假如LTC3785不能重启，而且过载状态持续，那么这种工作模式将继续限制总的功耗。通过向RUN/SS引脚供应一个小的电流，还可以让该器件锁断而不是自动重启。由于外部MOSFET电阻变化，MOSFET漏源检测一般不是非常准确。假如要更严格的限流准确度，可以新增电流检测电阻。LTC3785还可以编程为实现全D级工作，以允许转换器供应和吸收等于限流设置点的电流。这是通过确定CCM引脚上的高逻辑电平信号实现的。

内部p沟道低压差稳压器用输入电源电压在VCC引脚出现4.35V电压。这个电压为驱动器和LTC3785内部电路供电，可以供应100mA峰值电流，该电流必须用一个最小值为4.7μF的电容器旁路到地。VCC稳压器可以通过肖特基二极管连接到VOUT，以供应更高的栅极驱动电流。

最后，LTC3785含有实现故障保护的过压和欠压功能以及瞬态限制。假如检测到输出电压比目标稳压点高出9.5%，那么开关动作停止。然后，输出电压将降至更安全的水平，因为没有能量供应给输出。一旦输出充分下降，开关动作将重新开始。在过压情况下，该集成电路强制工作在固定频率模式，而突发模式工作被禁止。

N沟道功率MOSFET选择和解决方法尺寸

LTC3785要4个外部N沟道功率MOSFET，两个用于顶部开关，另外两个用于底部开关。重要参数是VBR(DSS)、VGS(TH)、RDS(ON)和IDS(MAX)。驱动电压用4.35VVCC电源设置。就大多数输入电压预计低于5V的应用而言，可以采用低逻辑栅极门限MOSFET。另外，典型LTC3785DC/DC转换器全部采用陶瓷输入和输出电容器。一个10W输出的完整电路占板面积不到2cm2cm，电感器是最高的器件，高度为0.32cm。

降压-升压型控制器延长手持式设备的电池工作时间

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