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降壓-升壓型控制器延長手持式設備的電池工作時間

鉅大鋰電  |  點擊量：0次  |  2020年05月28日  

背景


在便攜式產品中使用小型、高能量密度現代電池技術的電源應用必須在整個電池放電和再充電電壓范圍內高效率工作。這給要3.3V總線電壓、由鋰離子和鋰聚合物電池供電的系統帶來了設計挑戰。尤其是3.3V總線電壓要供應大于0.5A的負載電流時，更是這樣。雖然降壓型轉換器擅長以高效率將2.7～4.2V的鋰離子電池電壓轉換成較低的輸出電壓(如1.8V)，升壓型轉換器能高效率地出現較高的輸出電壓(如5V)，但是這兩種轉換器都不能始終出現3.3V的總線電壓。單端主電感轉換器(SEpIC)，級聯一個升壓和降壓型轉換器等拓撲能利用全部電池電量，但是受到低效率、高成本、占板面積新增、器件數較多和設計復雜性高等缺點的困擾。


單或兩節鋰離子電池通常用5～9V的交流適配器充電。能夠讓DC/DC轉換器直接用交流適配器取代電池來工作，縮短電池充電時間。當然，這要求轉換器不僅能夠在最低的電池輸入電壓下工作，而且還能夠用升高的輸入電壓工作。傳統上，由電池供電的手持式設備直接從電池吸取功率，甚至在電池充電時也相同。這種類型的DC/DC轉換器還要非常低的靜態電流，以在備用或空閑模式下節省電池能量。


同步降壓-升壓型控制器是理想解決方法


為由單節鋰離子電池供電的手持式設備中供應3.3V電源軌是個復雜問題，很多公司都供應了解決方法，凌力爾特公司的LTC3785同步降壓-升壓型開關穩壓DC/DC控制器就是其中之一。其專有的降壓-升壓拓撲僅要單個電感器，就能用高于、等于或低于輸出電壓的輸入電壓以高效率出現固定輸出電壓。LTC3785以2.7～10V的輸入和輸出電壓工作，非常適用于單節或兩節鋰離子或鋰聚合物電池，或多節堿性鎳氫金屬、鎳鎘或堿性電池。這個高度集成的控制器僅使用很少的纖巧外部組件，具有很多可編程功能，如軟啟動、開關頻率和限流門限電壓。


效率曲線如圖1所示的電路在同步、4開關降壓-升壓型DC/DC轉換器中采用LTC3785控制器，并用2.7～10V輸入電壓、以高達96%的效率出現3.3V/3A固定輸出。LTC3785供應全部N溝道MOSFET柵極驅動，為使用低RDS(ON)單封裝多電源開關技術供應了方便。其專有拓撲和控制架構利用MOSFET的RDS來檢測正向和反向限流，實現無與倫比的高效率。在想要提高限流準確度時，可以使用檢測電阻。另外，LTC3785能以突發模式(BurstMode)工作，將輕負載時的靜態電流降至低于100μA，這對延長便攜式應用的電池工作時間是至關重要的。LTC3785在停機時還具有真正輸出斷接能力，確保電池與系統負載的斷開。


圖1降壓-升壓型轉換器原理圖及其效率曲線


先進的控制拓撲最大限度提高效率


LTC3785基于標準H橋式降壓-升壓功率級，如圖2所示。它同時含有降壓和升壓開關MOSFET，這些MOSFET連接到單個電感器上。與不斷地同時開關所有4個MOSFET的標準降壓-升壓模式不同，LTC3785采用專有設計，每次只開關兩個MOSFET。很多降壓-升壓控制電路在轉換點都有效率下降、電源抖動或輸出電壓不穩定問題。然而，LTC3785在降壓、降壓-升壓和升壓工作區之間無縫轉換，在所有工作模式下都保持低噪聲性能。這個控制電路還極大地降低了不必要的開關和傳導損耗，最大限度地提高了轉換器的效率。


圖2電源部分方框圖和工作模式


工作模式


輸入電壓高于輸出電壓時，該轉換器以降壓模式工作，開關A和B轉換輸入電壓，開關D保持接通，L1連接到輸出(見圖2)。隨著輸入電壓降低并接近輸出電壓，該轉換器接近降壓模式工作的最大占空比，電橋的升壓部分開始開關，進入降壓-升壓或4開關工作區。隨著輸入電壓進一步降低，該轉換器進入升壓區。開關A以最小升壓占空比保持接通，電感器連接到輸入，開關C和D在輸出電容器和地之間轉換電感器的輸出側，作為同步升壓轉換器工作。


實現更高靈活性的其他功能


LTC3785還有其他一些功能可以提高其在便攜式應用中的可用性，例如，要極低靜態電流以延長電池工作時間。就這類便攜式應用而言，該器件能夠配置成以突發模式工作，以延長電池工作時間。在突發模式時，LTC3785向輸出供應能量，直到輸出電壓達到穩定狀態。達到穩定狀態以后，該器件被置于休眠狀態，對外部MOSFET的驅動被關斷，只有關鍵電路保持有效，LTC3785消耗不到100μA電流。這期間負載電流由輸出電容器供應。當輸出電壓下降到低于較低的穩壓邊沿時，該器件“醒來”，并再次開始進行開關操作，重新給輸出電容器充電。


通過檢測和限制MOSFETA從輸入電源吸取的輸入電流，LTC3785還供應過載和短路保護。假如達到了用戶編程限流值，那么連接到RUN/SS引腳的軟啟動電容器就被再次用做故障按時器并開始放電。假如限流狀態持續足夠長時間，該轉換器將被禁止，同時啟動復位按時器以重啟轉換器。假如LTC3785不能重啟，而且過載狀態持續，那么這種工作模式將繼續限制總的功耗。通過向RUN/SS引腳供應一個小的電流，還可以讓該器件鎖斷而不是自動重啟。由于外部MOSFET電阻變化，MOSFET漏源檢測一般不是非常準確。假如要更嚴格的限流準確度，可以新增電流檢測電阻。LTC3785還可以編程為實現全D級工作，以允許轉換器供應和吸收等于限流設置點的電流。這是通過確定CCM引腳上的高邏輯電平信號實現的。


內部p溝道低壓差穩壓器用輸入電源電壓在VCC引腳出現4.35V電壓。這個電壓為驅動器和LTC3785內部電路供電，可以供應100mA峰值電流，該電流必須用一個最小值為4.7μF的電容器旁路到地。VCC穩壓器可以通過肖特基二極管連接到VOUT，以供應更高的柵極驅動電流。


最后，LTC3785含有實現故障保護的過壓和欠壓功能以及瞬態限制。假如檢測到輸出電壓比目標穩壓點高出9.5%，那么開關動作停止。然后，輸出電壓將降至更安全的水平，因為沒有能量供應給輸出。一旦輸出充分下降，開關動作將重新開始。在過壓情況下，該集成電路強制工作在固定頻率模式，而突發模式工作被禁止。


N溝道功率MOSFET選擇和解決方法尺寸


LTC3785要4個外部N溝道功率MOSFET，兩個用于頂部開關，另外兩個用于底部開關。重要參數是VBR(DSS)、VGS(TH)、RDS(ON)和IDS(MAX)。驅動電壓用4.35VVCC電源設置。就大多數輸入電壓預計低于5V的應用而言，可以采用低邏輯柵極門限MOSFET。另外，典型LTC3785DC/DC轉換器全部采用陶瓷輸入和輸出電容器。一個10W輸出的完整電路占板面積不到2cm2cm，電感器是最高的器件，高度為0.32cm。


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