| 本文作者
Tony Armstrong
凌力爾特公司 電源產(chǎn)品部 產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān)
引言
我們現(xiàn)在對(duì)電池都很熟悉，在大量產(chǎn)品和應(yīng)用中，電池幾乎無處不在。常見例子包括手機(jī)和筆記本電腦。不過，在閃光燈、無繩工具、MP3 播放器、便攜式視頻游戲機(jī)、手持式萬用表以及科學(xué)儀器和快速增長的醫(yī)療保健設(shè)備中，電池也是很常見的。
因此，2011 年便攜式電池供電產(chǎn)品的全球市場(chǎng)估計(jì)值為 4800 億美元、預(yù)計(jì) 2016 年將超過 6110 億美元也就不足為奇了 [數(shù)據(jù)來源：BCC Research]。此外，這個(gè)市場(chǎng)預(yù)計(jì)會(huì)一直持續(xù)增長到 2020 年。
這一市場(chǎng)可以粗略地分成以下幾類：
- 約 29% 為通信產(chǎn)品
- 約 29% 為電腦相關(guān)產(chǎn)品
- 約 19% 為醫(yī)療保健產(chǎn)品
- 約 23% 為相機(jī)、玩具、娛樂、鐘表、照明、導(dǎo)航和軍用產(chǎn)品
這種多樣性是因產(chǎn)品本身、產(chǎn)品使用的電池以及電池充電器和為電池充電的電源管理系統(tǒng)之間獨(dú)特的協(xié)同增效作用導(dǎo)致的。
電池化學(xué)組成和應(yīng)用
顯然，電池供電產(chǎn)品市場(chǎng)巨大，那么這類產(chǎn)品中使用的電池之化學(xué)組成是什么情況呢? 當(dāng)然，這些豐富多樣的產(chǎn)品中所使用最顯著的電池化學(xué)組成是基于鋰的，估計(jì) 2016 年基于鋰的化學(xué)組成之市場(chǎng)規(guī)模為 225 億美元 (數(shù)據(jù)來源：Frost & Sullivan)。在鋰電池全球收入中，北美和中國占比超過一半。不僅如此，未來消費(fèi)類設(shè)備廠商、工業(yè)品制造商、電力和可再生能源存儲(chǔ)市場(chǎng)以及汽車制造商的關(guān)鍵最終用戶將進(jìn)一步促進(jìn)對(duì)鋰電池需求的增長。工業(yè)、醫(yī)療保健、電動(dòng)工具和軍事應(yīng)用市場(chǎng)在鋰離子電池使用量上居于領(lǐng)先地位。
典型鋰離子電池的放電曲線從滿充電時(shí)的 4.2V 變化到徹底放電時(shí)的 2.7V。盡管這樣的曲線是智能手機(jī)和 MP3 播放器的良好選擇，但是也許不適合便攜式科學(xué)儀器、電動(dòng)工具和醫(yī)療保健設(shè)備。在后面幾種情況下，也許需要多節(jié)電池來提供必要的運(yùn)行時(shí)間以適合實(shí)際使用。這意味著，將必須使用兩節(jié)到 4 節(jié)電池，或者串聯(lián)或者并聯(lián)，或者串并聯(lián)組合。結(jié)果，這類電池配置的電壓范圍可能從 16.8V 變化到 10.8V (4 節(jié)鋰離子電池串聯(lián))，或從 8.4V 變化到 5.4V (兩節(jié)鋰離子電池串聯(lián))。
電池電壓轉(zhuǎn)換和布局考慮
高功率密度已經(jīng)成為對(duì) DC/DC 轉(zhuǎn)換器的主要要求，因?yàn)檫@類轉(zhuǎn)換器必須跟上電子產(chǎn)品不斷增長的功能密度。類似地，功耗也是今天功能豐富、組件緊密排列的設(shè)備考慮的主要問題，這推進(jìn)了對(duì)高效率解決方案的需求，因?yàn)楦咝式鉀Q方案可以最大限度減少溫度上升。就輸入電壓源可以高于或低于穩(wěn)定輸出電壓的應(yīng)用而言，找到高效率緊湊型解決方案可能是個(gè)挑戰(zhàn)，尤其在功率水平不斷上升時(shí)。諸如使用雙電感器 SEPIC 轉(zhuǎn)換器等常規(guī)設(shè)計(jì)方法效率相對(duì)較低，解決方案尺寸相對(duì)較大。
正如已經(jīng)討論的那樣，消耗大量功率的手持式設(shè)備、醫(yī)療產(chǎn)品和工業(yè)儀器常常需要多節(jié)或大容量電池，以滿足其不斷增長的處理需求。很多負(fù)載需要在電池電壓范圍之內(nèi)的穩(wěn)定輸出，這就必須使用既可升壓又可降壓的轉(zhuǎn)換器。盡管 SEPIC 轉(zhuǎn)換器是一種可行解決方案，但是其尺寸較大、轉(zhuǎn)換效率不高不低，是便攜式或比便攜式稍大的攜帶式產(chǎn)品的次優(yōu)選擇。因此，就需要較長電池運(yùn)行時(shí)間和處理多個(gè)輸入源而言，寬電壓范圍、高效率降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是理想的解決方案。
從電源設(shè)計(jì)師的角度來看，如果每回他們給原型機(jī)電源電路板首次加電，電路板都不僅工作，而且安靜、涼爽不熱地運(yùn)行，那可真是太好了。不幸的是，這種情況并不總能發(fā)生。開關(guān)電源的一種常見問題是“不穩(wěn)定”開關(guān)波形。有時(shí)，波形抖動(dòng)非常顯著，以至于能聽到磁性組件發(fā)出的噪聲。如果問題與印刷電路板 (PCB) 布局有關(guān)，那么找到原因可能很難。因此，在開關(guān)電源設(shè)計(jì)的早期即確定恰當(dāng)?shù)?PCB 布局是至關(guān)重要的，其重要性怎樣強(qiáng)調(diào)都不過分。
當(dāng)然，電源設(shè)計(jì)師了解最終產(chǎn)品中電源的技術(shù)細(xì)節(jié)和功能要求。他們通常從一開始就與 PCB 布局設(shè)計(jì)師針對(duì)關(guān)鍵電源布局展開緊密合作。良好的布局設(shè)計(jì)可優(yōu)化電源效率、減輕過熱壓力，而且最重要的是，最大限度降低了噪聲以及走線和組件之間的互動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，對(duì)設(shè)計(jì)師而言很重要的是，了解開關(guān)電源中電流導(dǎo)通路徑和信號(hào)的流動(dòng)。
在一個(gè)沒有為表面貼裝功率 MOSFET 和電感器加裝外部散熱器的設(shè)計(jì)中，有必要用充足的銅箔區(qū)作為散熱器。就一個(gè) DC 電壓節(jié)點(diǎn)而言，例如輸入 / 輸出電壓和電源地，人們希望讓銅箔區(qū)域盡可能大。多個(gè)通孔對(duì)進(jìn)一步降低過熱壓力是有幫助的。就高 dv/dt 開關(guān)節(jié)點(diǎn)而言，開關(guān)節(jié)點(diǎn)銅箔區(qū)域大小合適與否，需要在最大限度降低 dv/dt 相關(guān)噪聲和為 MOSFET 提供良好散熱能力之間做出設(shè)計(jì)權(quán)衡之后才能確定。
最后，控制電路應(yīng)該遠(yuǎn)離有開關(guān)切換因而產(chǎn)生噪聲的銅箔區(qū)。讓控制電路靠近降壓型轉(zhuǎn)換器的 Vout+ 側(cè)和靠近升壓型轉(zhuǎn)換器的 Vin+ 側(cè)，是優(yōu)先選擇，在這些地方，電源走線攜帶連續(xù)電流。如果空間允許，控制 IC 應(yīng)該放置在與功率 MOSFET 和電感器有一小段距離的地方 (0.5 英寸至 1 英寸)，因?yàn)?MOSFET 和電感器既有噪聲、溫度又高。不過，如果空間限制使得必須把控制器放在靠近功率 MOSFET 和電感器的地方，那就必須特別注意用地平面隔離控制電路和電源組件。
優(yōu)化的電源轉(zhuǎn)換器解決方案
顯然，電源設(shè)計(jì)師的工作并不輕松。當(dāng)輸入可能高于、低于甚至等于輸出時(shí)，需要優(yōu)化 SEPIC 轉(zhuǎn)換器等笨重的解決方案以產(chǎn)生固定輸出電壓，擁有能夠降低優(yōu)化相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)的解決方案是很有好處的。優(yōu)化和集成功率 MOSFET 以構(gòu)成緊湊、高效率的解決方案，就可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)任務(wù)。幸運(yùn)的是，凌力爾特剛好提供了一些新的轉(zhuǎn)換器解決方案，實(shí)現(xiàn)了上述的優(yōu)化和集成。
LTC3119 是一款同步電流模式單片降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，在降壓模式時(shí)，可從多種輸入源提供高達(dá) 5A 的連續(xù)輸出電流，輸入源包括單節(jié)或多節(jié)電池、未穩(wěn)壓交流適配器以及太陽能電池板和超級(jí)電容器。就脈沖負(fù)載應(yīng)用而言，甚至可以支持更大的輸出電流。一旦啟動(dòng)，該器件 2.5V 至 18V 的輸入電壓范圍就可擴(kuò)展至 250mV。輸入高于、低于或等于輸出時(shí)，輸出電壓都是穩(wěn)定的，且輸出電壓在 0.8V 至 18V 范圍內(nèi)是可編程的。用戶可選突發(fā)模式 (Burst Mode®) 運(yùn)行將靜態(tài)電流降至僅為 31μA，從而提高了輕負(fù)載時(shí)的效率，同時(shí)延長了電池運(yùn)行時(shí)間。LTC3119 采用的專有 4 開關(guān) PWM 降壓-升壓型拓?fù)湓谒泄ぷ髂Ｊ綍r(shí)均提供低噪聲、無抖動(dòng)切換，從而非常適合對(duì)電源噪聲敏感的 RF 應(yīng)用和精確的模擬應(yīng)用。該器件還包含可編程最大功率點(diǎn)控制 (MPPC) 功能，以確保從光伏電池等輸出阻抗較高的電源提供最大功率。參見圖 1 以了解該器件的簡(jiǎn)化原理圖。
LTC3119 包含 4 個(gè)內(nèi)部低 RDSON N 溝道 MOSFET，提供高達(dá) 95% 的效率。突發(fā)模式運(yùn)行可禁止，以提供低噪聲連續(xù)切換。外部頻率設(shè)定或用內(nèi)部 PLL 實(shí)現(xiàn)同步使得可以在很寬的 400kHz 至 2MHz 開關(guān)頻率范圍內(nèi)運(yùn)行，這就允許在轉(zhuǎn)換效率和解決方案尺寸之間做出權(quán)衡。其他特點(diǎn)包括短路保護(hù)、熱過載保護(hù)、低于 3μA 的停機(jī)電流和一個(gè)電源良好指示器。該器件采用纖巧的外部組件，工作電壓范圍很寬，擁有緊湊的封裝，靜態(tài)電流也很低，因此非常適合 RF 電源、大電流脈沖負(fù)載應(yīng)用、系統(tǒng)備份電源、以及甚至連接 12V 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的鉛酸電池。
圖 1：高集成度、高性能 LTC3119 的原理圖
很多便攜式系統(tǒng)都需要用多個(gè)輸入源供電，包括單節(jié)或多節(jié)電池配置、交流適配器和超級(jí)電容器組。LTC3118 是與 LTC3119 同一系列的另一款器件，是一款雙輸入、單片降壓-升壓型器件，集成了無損耗 PowerPath™，能夠提供高達(dá) 2A 的連續(xù)輸出電流。LTC3118 集成了智能功能，可自動(dòng)轉(zhuǎn)換到合適的輸入源，以無縫保持穩(wěn)定的輸出。每個(gè)輸入都可以在 2.2V 至 18V 范圍內(nèi)運(yùn)行，同時(shí)輸出可以在 2V 至 18V 范圍內(nèi)設(shè)定，從而使該器件適合多種應(yīng)用。LTC3118 采用低噪聲、電流模式降壓-升壓型拓?fù)浼軜?gòu)和固定 1.2MHz 開關(guān)頻率。其獨(dú)特的設(shè)計(jì)允許在降壓和升壓模式之間提供連續(xù)、無抖動(dòng)的轉(zhuǎn)換，從而使該器件非常適合 RF 和其他噪聲敏感應(yīng)用。該器件使用纖巧的外部組件，采用 4mm x 5mm QFN 或 TSSOP-28E 封裝，可構(gòu)成占板面積緊湊的解決方案。參見圖 2 以了解其簡(jiǎn)化原理圖。
LTC3118 包含 4 個(gè)內(nèi)部低 RDS(ON) N 溝道 MOSFET，從任意輸入都可提供高達(dá) 94% 的效率。用戶可選突發(fā)模式運(yùn)行將輸入靜態(tài)電流降至僅為 50μA，從而提高了輕負(fù)載時(shí)的效率，并延長了電池運(yùn)行時(shí)間。就噪聲敏感應(yīng)用而言，突發(fā)模式運(yùn)行可禁止，從而能夠不受負(fù)載電流影響地以固定頻率、低噪聲運(yùn)行。其他特點(diǎn)包括軟啟動(dòng)、過壓保護(hù)、短路保護(hù)、過熱停機(jī)和輸出斷接。
圖 2：在兩個(gè)輸入之間具 PowerPath 電路的 LTC3118 的原理圖
結(jié)論
就設(shè)計(jì)多種電池供電的便攜式產(chǎn)品以滿足對(duì)通信、醫(yī)療和電腦相關(guān)產(chǎn)品不斷增長的需求而言，已經(jīng)呈現(xiàn)出巨大的機(jī)會(huì)。在選擇合適的電源轉(zhuǎn)換解決方案以滿足關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)方面，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨一些艱難的挑戰(zhàn)，這些設(shè)計(jì)目標(biāo)包括在不損害效率、運(yùn)行時(shí)間和解決方案尺寸的情況下，符合輸入至輸出電壓涵蓋限制、提供合適的功率水平和易設(shè)計(jì)性。
設(shè)計(jì)一個(gè)滿足系統(tǒng)目標(biāo)又不影響性能的解決方案可能是個(gè)艱巨的任務(wù)。幸運(yùn)的是，凌力爾特提供了越來越多的降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器解決方案，這些解決方案由于能夠跨很寬的負(fù)載范圍高效率運(yùn)行，所以可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，提供同類最佳功能，并能夠伴隨著電池充電周期最大限度延長運(yùn)行時(shí)間。 |
