為便攜式系統(tǒng)選擇電源拓撲解決方案的分析和對比

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(yīng)關(guān)系。這些解決方案包括級聯(lián)降壓與升壓轉(zhuǎn)換器、單獨的降壓轉(zhuǎn)換器、LDO轉(zhuǎn)換器以及TPS63000降壓/升壓轉(zhuǎn)換器。圖中采用具有1650mAHr容量且充滿電的18650鋰離子電池。負載電流為500mA，當3.3V電壓軌電壓低于最初設(shè)定值5％時系統(tǒng)關(guān)閉。這里要求使用同一電池以避免因電池容量差異而導致數(shù)據(jù)偏差。和我們預(yù)期的一樣，LDO的運行時間較短，僅為190分鐘，而降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的運行時間最長，達到了203分鐘，級聯(lián)降壓/升壓解決方案的運行時間最短，僅為175分鐘。表1顯示了真實系統(tǒng)放電曲線的關(guān)鍵區(qū)域比較。

其它需要考慮的因素

圖3數(shù)據(jù)是在恒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(yīng)用有區(qū)別。為使便攜式應(yīng)用的運行時間長，只有在需要時才連接負載，在不需要時應(yīng)斷開負載。顯示器、處理器及功率放大器是在系統(tǒng)電池上產(chǎn)生明顯瞬態(tài)電流的主用來源，它們的負載變動幅度將會由于電池內(nèi)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(fā)生在放電周期的最后階段，則能將電池電壓降至3.3V以下。若采用降壓或LDO解決方案則可能導致系統(tǒng)提前關(guān)機，而降壓/升壓解決方案則會度過瞬態(tài)繼續(xù)運行，從而延長系統(tǒng)運行時間。

實驗室測試過程中并不明顯的負載瞬態(tài)電流在實際應(yīng)用中卻異常明顯，原因是鋰離子電池經(jīng)過150個充電/放電周期后，其內(nèi)部阻抗增加了一倍；當工作溫度在0?C～25?C之間，其內(nèi)部阻抗也會增加一倍。圖4顯示了負載瞬態(tài)電流條件下運行的鋰電池的總線電壓。降壓及降壓/升壓轉(zhuǎn)換器具有250mA的恒定負載電流，從而使電池總線負載500mA的瞬態(tài)電流。降壓轉(zhuǎn)換器輸出下降至無法穩(wěn)壓時會引起系統(tǒng)關(guān)機。TPS63000降壓/升壓轉(zhuǎn)換器則可以度過瞬態(tài)正常運行，且輸出電壓沒有變化。

本文小結(jié)

鋰離子電池電壓轉(zhuǎn)換為3.3V的設(shè)計方案眾多，設(shè)計工程師可以根據(jù)系統(tǒng)特定要求選擇最佳解決方案。降壓/升壓轉(zhuǎn)換器適用于大多數(shù)系統(tǒng)，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(shù)便攜式應(yīng)用的最佳整體解決方案。

選擇降壓/升壓轉(zhuǎn)換器時必須清楚各種降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的特性并不相同，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。