原创 单片稳压器，提高电源能效与电池利用率

为提高能效和电池利用率，缩减设备尺寸，意法半导体(ST)针对便携设备新开发出一个完全单片的降压升压转换器。本文详细介绍了新产品的主要特性与性能，重点讲解降压到升压软转换和自动转换的创新体系结构，并于文末列举了几个应用创意。

对于PDA、手持设备和手机来说，电源管理的要素是提高电池使用寿命，同时降低产品的成本、尺寸和重量。然而，这些目标往往是互相抵触的；因为若缩减主要外围器件的成本和尺寸，就需要超高的开关频率，而这又会对应用的能效产生极大的影响。
        此外，GSM和UMTS手机、GPS导航仪、数码相机、MP3播放器正在扩大所需的负载电压的范围(从0.8V扩展到4V以上)；而且，根据电池放电曲线，电池供电设备(镍氢电池、锂电/聚合体电池)的输入电压范围变化很大。这个时候，利用一个降压升压转换器，可在输入电压的全程范围内调整输出电压，完成这项极具挑战性的任务。

便携式电源首重限流功能和宽幅输入

        ST一款新的降压升压转换器，采用先进的BCD 6(第6代BiCMOS——DMOS)工艺技术设计而成，封装采用超小VFQFPN16 3mm×3mm的封装，内置4个1.5A限流功能的开关。集成的这4个开关(2个N沟道和2个P沟道MOSFET)由于导通电阻很低(0.15Ω)，可最大限度地降低传导损耗，所以外部功率器件只需一个电感器。根据输出电压的大小，该器件可充当一个降压转换器或一个升压转换器；只要合理驱动内置的4个开关，两种操作模式之间就会自动而顺畅地相互转换。
        它还具有宽广的输入电压范围(2V～5.5V)，特别适合单电锂电池、聚合体电池或多电池的镍氢电池组应用。再者，高度自由运转开关频率也是很重要的，该产品的常态值是1.4MHz，通过外部同步更可提高到2MHz以上。此外，其静态电流极低(60μA)的低功耗工作模式，非常有利于在轻负载条件下保持高能效；而过流保护、过压保护和热关机等更多功能，则为应用可靠性提供更多保障。

                     图1：典型应用电路

图1所示是该器件的典型应用电路，图2是新产品的结构框图。结构框图描述了内部体系结构和产品的工作原理。下面我们将重点创新的工作原理和低功耗模式。 <?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

根据输入和输出电压调整操作模式， 改善转换能效

         实现降压升压转换操作有多种方式；有些转换器采用两个电感器(如SEPIC和串联升压降压转换等)，有些转换器只用一个电感器。只使用一个电感的降压升压解决方案可能采用一个H桥拓扑，如图3所示。在这种体系结构中，VIN和VOUT之间的一般关系如下：

图2：结构框图

(1)

其中：

                     图3：H桥拓扑示意图

TON1和TON2分别表示P沟道MOSFET A和D的导通时间，而T是开关周期。在传统的4开关降压升压转换器中，每个开关周期MOSFET都是在对角线上一组激活。第一路(A-C组)向电感器充电，第二路(B-D组)使电感器的电能传送到输出电容。这种开关驱动方式使D1和D2有以下的关系：

 (3)

合并关系式(1)和(3)，得出以下表达式：

(4)

这个关系式只是关系式(1)的特殊情况。关系式(4)的图形表示如图4所示。

图4：传统4开关降压升压转换器的D1和D2

              图5：a)降压配置；b)升压配置

这种转换方法有一个显而易见的缺点：即使输入电压高于输出电压时(可使用一个简单的降压转换器)，电流也不能连续地输送到输出电容器，只有当B-D通道开通时才可以。因此，流经电感器(以及开关)的电流总是高于负载电流，其大小由下面的公式得出(纹波电流怱略不计)：

  (5)

本文所述的新器件采用相同的H桥架构，但是驱动开关的方式不同。该器件根据输入和输出电压来调整操作模式，使H桥看起来像一个降压转换器(VIN>VOUT)或一个升压转换器(VIN，如图5所示。
         至少只要该产品处于降压转换模式((VIN < VOUT)，电流就会连续不断地输送到输出电容；只要允许降压转换，这就能带来很大的能效优势。在这个阶段，能效只是比传统的降压转换略低一些(因为在开关D上增加了串联电阻)。这种方法解决了前文讨论的传统四开关降压升压转换器的主要缺点。
         VIN 和VOUT的关系依然是关系式(1)，但是D1和D2的关系式却发生了变化。在理论上，只要VIN高于VOUT(降压转换)，D2应该等于1。D1应该随输入输出电压比而发生变化，当VIN等于VOUT时，达到最大值1(D1 = D2 = 1)。 
         当VIN小于VOUT时，D1应该等于1。D2应该变化，以执行升压转换功能。但是，为了保证两种模式之间的互换顺畅，更好的办法是在D1和D2都略低于1时设法在VIN和VOUT之间找到D1和D2的交叉点(如图6所示)。不过这种方法会在某种程度上影响能效。

图6：占空比交叉点

如图6所示，D1和D2的交差值决定了降压升压区(VIN～VOUT)的幅度，4个MOSFET的开关操作都发生在这个区域。
        降压升压区越宽，开关损耗越大，电感电流越高。这里讨论的产品找到了上述问题之间的折衷办法：把D1 和D2的交叉点定在0.95。图7描述了该产品如何确定两个半桥的占空比。

图7：占空比控制示意图

COMP引脚是图2误差放大器的输出，从COMP引脚电压，可以求出两个误差信号：

  (6.a)

  (6.b)

其中VCOMP 是误差放大器的输出，而K是一个常量。 占空比D1和D2是通过对每个误差和PWM锯齿波形进行比较而产生的，PWM锯齿波形的振幅是VCC的1/3。常量K的选择决定了占空比的交叉点。如K等于0.95，D1和D2就交叉在0.95点上。

低功耗模式

         尽量延长电池使用寿命是便携设备的一个基本要求，使稳压器在任何条件下都能保持高效即可实现这一目标。不过，因为恒定损耗(整个电路偏压、恒定频率下开关损耗等)的原因，能效在轻负载下会有所降低；而低功耗模式的可能性使这个新型降压升压转换器在任何条件下都保持很高的能效。
        低功耗模式选择设置将电路置于低功率模式，使电路大多数功能都被关闭，只有少数输出监视功能还在工作。在这个阶段，该器件不进行开关操作，负载给输出电容放电，输出电压下降，FB电压也开始下降。
        当FB电压下降到内部参考电压以下时，一个电流固定的电能被贮存到线圈内(充电通道A-C开通)，然后被输送到输出电容(放电通道B-D开通)，如图8所示。突发周期的频率会随着负载电流增加而提高。当突发周期彼此相互紧邻时，负载电流会达到最大值。

图8：低功耗模式

在这种极限条件下，输送到负载的最大电流等于：

  (7)

图9描述了该器件在低功耗模式下工作时的3个连续突发周期。从图中不难看出两条通道(A-C和B-D)交替开关。当电感电流达到600mA和0mA时，充电和放电过程分别结束。

最大充电电流被选定为下面两个需求之间的折衷点：
        ● 较大的电流将会提高传导损耗，不过突发周期频率会比较低；
        ● 尽管较小的电流会降低传导损耗，但是突发周期频率将会提高，最大输出电流将会降低。

图9：在低功耗模式下的连续突发周期'

在两个突发周期之间，器件电流消耗(静态电流)被大幅度降低，降低到大约60μA。在某些应用中，避免干扰需要一个固定频率。因为这个原因，该产品在开关频率没有变化期间还能进入低噪模式。当SYNC/MODE引脚处于低态电平时，该器件进入低功耗模式。否则，以稳定开关频率操作(低噪模式)。
为了评估该器件的性能结果，ST开发出一个评估板(图10)，它突出了采用该器件的典型应用的尺寸有多么小。与传统的降压升压转换器相比，新产品大幅度提升的能效，突出体现了采用本文介绍的先进降压升压转换器的重要性。
        从图11中我们可以看到3.3V固定输出电压下整个输入电压范围内的能效。在图11所示的条件下，当电感、输入和输出电容为下列值时，测量该器件的能效如下：

L = 6.8μH
CIN = 10μF
COUT = 22μF

图10：评估板

如图11所示，在VIN＝VOUT (降压升压区)点附近，能效正在降低。如前文所述，这区域内的所有MOSFET开关都导致功耗提高。

图11：在整个输入范围内的能效

应用实例演示：驱动白光LED灯

       今天，锂电池已被广泛用于便携设备中，电池可能的电压范围为2.8V～4.2V。锂电池的放电曲线如图12所示。

图12：锂电放电曲线

对放电趋势影响较大因素包括温度和放电电流。随着温度降低和电流增大，曲线呈现向下走势。便携式设备所需的典型电压3.3V。显然，通过降压转换方法很容易得到这个电压。同样，在电池电压达到大约3.4V以前，3.3V是可以调整的，这还取决于稳压器的最小压降。如此一来，电池中将存有部分没被使用的电能(见图12)。本文介绍的降压升压转换器符合这类应用的要求，能够最大限度地利用电池能源。
       现在，白光LED被广泛用于LCD背光和照明应用。因为这种灯的亮度与流经灯的电流成正比，所以必须将电压控制回路改成电流控制回路。如果输入端只使用一个锂电池，本文介绍的降压升压转换器则是一个优良的解决方案的代表。
        只要在FB和GND引脚之间插入一个灵敏电阻器，再将其与LED串联，即可实现一个电流控制结构，如图13所示。控制回路将把灵敏电阻的电压设置在0.5V，这样就可以保证流过LED的电流是恒定电流。通过改变电阻和电流的大小，还可以调整灯的亮度。

图13：LED驱动电路

LED上的正向电压在3V～4V之间，考虑到灵敏电阻上的压降，调整输出电压必须保证在3.5V～4.5V之间。因为这些需求的原因，如果输入端采用一个锂电池，本文介绍的降压升压转换器则代表了一个优良的解决方案。

结语
       最近几年，由于所需输入电压范围不断扩大，以及最大限度延长电池使用寿命、缩减尺寸和提高能效的需求，市场对便携式设备电源管理解决方案的要求越来越高，本文中的创新体系结构能够实现能效极高的降压升压转换。此外，因为具有低功耗模式，即使在轻负载下仍能保持很高的能效。最后，所有硅功率器件都集成在一个芯片上，确保目标应用的尺寸非常紧凑。