可延长电池动作时间的电源电路

可携式数字电子机器的电池电源只能提供有限的电力能量，它与一般AC110V低阻抗(impedance)、可以供给无限电力能量的商用电源设计方法截然不同，由于设计上必需配合可携式电子机器特殊功能，因此可携式电子机器经常使用各种电源IC。由于高电力转换效率目前已经成为电源电路基本必备功能，本文将介绍可以延长电池动作时间的电源电路。
低输出电压高电力转换效率的电源电路
最近几年CPU的核心电压与FPGA的电压急遽降低，一般认为不久的未来CPU的核心(core)电压可望低于1V以下，类似这类低电压输出的应用，导致DC-DC变频器(converter)极易发生大电力损失，进而造成效率急遽降低。

以往降压型DC-DC变频器大多使用如图1所示的二极管，不过二极管会发生0.5V左右顺向电压下降V_F现象，令人担忧的是输出电力一旦降低，下列两点可能会导致顺向电压下降V_F的损失比率大幅增加:
①由于OFF时间变长，二极管内部电流流动发生损失的时间相对变长
②二极体的电压一定，对输出电压的「损失电压比率」相对提高
　

图1 二极管整流方式低电压输出时的损失极大
　

为消除电压下降V_F造成的损失，通常会使用DC-DC变频器，具体方法是利用MOSFET构成的switch取代传统二极管，藉此大幅降低电压损失造成的电力损失(图2)。利用与二极管整流动作同步的时序(timing)控制MOSFET的ON/OFF，进行MOSFET的整流动作称为「同步整流」。如图2所示二极管顺方向时会使MOSFET变成ON，逆方向时则关闭(OFF)MOSFET，换言之使用低ON阻抗的MOSFET，可以大幅降低电压损失，进而达成高的电力转换效率目的。
　

图2 使用FET switch整流方式降低损失
　

低输出电流高效率的控制方式
设计可携式电子机器的电源时，必需考虑机器未动作时的电力消费状况，如果电源完全切断尚不构成问题，然而实际上许多电子机器即使关闭开关，内部的CPU等部份电路仍旧处于待机状态。

类似PDA、MP3等可携式电子机器，电源OFF时仍旧处于可以随时启动的待机状态，而且待机状态的时间往往比实际使用时间更长，因此这类电子机器要求轻负载时，可以发挥高电力效率的电源电路。

DC-DC变频器利用高速切换进行电压转换，无负载时也会持续作切换动作，此时它会消费数mA的电流，尤其是降压型变频器利用降压进行电力转换，它的输入电流比输出电流小，当输出电流低于10mA的轻负载时，IC本身的消费电力往往比输出电力多，DC-DC变频器的输出电流变的非常小的时候，电力转换效率会急遽降低。

为提高轻负载时的电力转换效率，必需改善切换(switching)控制方式，才能够有效减轻C本身的消费电力。使用线圈的DC-DC变频器大致上可以分成两种方式，分别是PWM与PFM控制:
‧振盪频率一定，将切换的ON时间作脉冲宽变调(PWM: Pulse Width Modulation)的控制方式。
‧将ON时间维持一定，依照需要变更OFF时间，改变ON周期(PFM: Pulse Frequency Modulation)的控制方式。
图3是DC-DC变频器的两种动作模式特性比较。
　

图3 DC-DC Converter的两种动作模式
　

　

PWM动作时与消费电流无关，它会以一定频率持续动作，所以产生的噪音也会变成一定频率，这意味着PWM模式的噪音对策相对比较容易处理。此外PWM方式的波动(ripple)电压比较小，因此拥有优秀的电源特性。

PWM动作时会持续进行切换(switching)动作，然而DC-DC变频器本身的消费电流却很大，随着输出电流的降低，在输入电力中DC-DC变频器本身的消费电力占有的比率相对变大，因此电力转换效率会急遽恶化。

改善轻负载时的电力转换效率，必需依照实际负载状态降低切换速度，或是反覆运转、停止状态，藉此减缓DC-DC变频器的自我平均消费电力。。

事实上有许多控制方式都是利用PFM动作实现DC-DC变频目的，PFM动作的问题点与实际效果分别如下:
由于PFM动作会随着负载电流的变化，因此动作频率与噪音频率成份也随着变化，其结果造成的噪音对策上非常困难。

理论上波动电压轻负载时，动作频率几乎是与输出电流呈比例变化，输出电流降低，动作频率也随着减缓，甚至会进入人耳可以察觉的20kHz范围。此外线圈电流会造成Ferrite磁歪产生振动，并导致线圈振动变成人耳可以察觉声音，严重时电源回路(loop)会入侵一般音响电路，最后造成喇叭输出的S/N比急遽劣化，因此PFM模式时除了电磁性噪音造成的障碍之外，还需作音响性问题的对策。
PFM模式下低输入电流的动作频率非常低，IC本身的消费电流也相对变少，因此轻负载时的效率比PWM模式高。

图4是利用PFM与PWM方式驱动电路定数相同的DC-DC变频器时的效率，根据图4的测试结果证实，10mA以下低输入电流时，PFM的效率反而比PWM高。
　

图4 PWM与PFM模式的效率比较
　

综合上述结论PFM与PWM的优、缺点分别如下:
▶PWM的优、缺点
‧频率固定
‧噪音频率一定，可用滤波器轻易去除，这种噪音对策对音响、量测仪器非常有效
‧输出波动比PFM小
‧某些产品甚至可以抑制线圈产生的电磁波放射
‧本身不易发生噪音，不过PWM消费电力相当高，因此轻负载时的效率相对变差

▶PFM的优、缺点
‧轻负载时输出电容的电压一直到降低为止，会停止一切动作
‧由于PFM不断进行间断运转，藉此动减轻自我消费电流，因此轻负载时仍旧可以维持高电力转换效率
‧随着电流的降低，动作频率也大幅减缓，甚至会降低到人耳可察觉的频率范围
‧不易消除噪音，而且输出电压的波动比PWM更大，经常产生噪音问题。

如上所述PWM与PFM动作各具优、缺点，因此业者推出整合PWM与PFM动作动作优点的DC-DC变频器，当电子机器待机状态时，以PFM方式进行低消费电力动作，进入高速动作之前立即切换成PWM模式作低噪音运转，如此一来就能够同时获得PFM的低消费电力，与PWM的低噪音两种特性。

事实上PFM模式的电源IC可以透过缩减最小切换ON的时间，达成提高动作频率的目的，目前某些DC-DC变频器的最低动作频率，不会超越人耳可以察觉的20kHz范围。

此外设计上面临待机状态的时间从数日到数个月不等，若单靠PFM的间断性动作，势必无法满足降低消费电流的需求，主要原因是利用间断性动作停止一切切换(switching)时，DC-DC变频器本身仍旧在消费电流，因此长时间机状时必需将该现象列入考虑。

此外类似负载电流非常低，而且要求长时间动作的应用时，传统镍氢电池显然不适用，主要原因是电池的自我放电往往比消费电流大，如果未正确选择电池，可能会使电源电路低消费电力化完全丧失意义。

充分使用电池容量的方法
a.降压型DC-DC变频器
降压型DC-DC变频器主要应用在电池电压比要求输出电压更高的场合，一般而言IC本身的最低动作输入电压，很少变成令人困扰的问题，然而实际使用上电池电压会逐渐降低，输出、入之间的电压差很低的场合，对低输入电压而言如何维持输出电压成为重要因素之一。

如众所周知降压型变频器的ON/OFF duty比会变成输出、入电压比，当输入电压降低接近输出电压时，却变成100%开启(ON)状态。图5是同步整流型DC-DC变频器常用的两种功率切换电路结构，由图可知功率切换电路除了NMOS/NMOS结构之外，还有PMOS/NMOS方式。

如果高端(high side)的switch使用PMOS的电路，它的ON duty会达到100%，相形之下单靠低价NMOS构成的电路，ON duty就无法达到100%，此时高端的闸道(gate)电压必需比电源电压更高，因此利用charge pump制作升压电路，亦即利用charge pump获得比电源电压更高的电压来驱动闸道。

由于charge pump是利用DC-DC变频器本身的switching，因此ON duty可以达到100%，不过switching一旦停止动作升压立即消失，如此一来就无法产生必要的闸道电压，最后造成无法使高端开关的NMOS作ON动作，换言之单靠NMOS构成的DC-DC变频器，由于charge pump电路问题，最大ON duty只能达到95%左右，即使V_in>V_out也无法维持电压，最后导致输出电压降低，这意味着即使电池拥有可以动作的最低电压，也无法完全被充分使用。

目前市面上具备ON duty 100%的商品，都会受到开关ON阻抗与线圈直流阻抗影响产生电压下降现象，因此无法输出与V_in相同的电压。

ON duty 100%时的可输出电压可以利用下式求得:
V_out = V_in - I_out(R_DS(on) + R_L)
R_DS(on): MOSFET的阻抗(Ω)
R_L: 线圈的直流阻
I_out: 输出电流

高端switch以PMOS作ON duty 100%的场合，switching元件的ON阻抗、线圈阻抗，以及变成负载的IC最低动作电压等要素，都会影响电池电压可以动作的下限值，即使稳定化电源或是新电池动作上都没有问题，实际若以消耗后的电池启动电源时，经常会出现无法启动等困扰，主要原因除了启动时对充电电容输出电流，会引发突发电流流动之外，该突发电流与电池内部阻抗都会使电池电压降低，虽然这种现象与电池残余容量有关，不过本质上它是输入电压降低导致无法启动的现象，因此有效对策是赋予可携式电子机器的电源具备软性启动(soft start)功能。达成软性启动功能的方法有两种，分别是:
①使duty比从0开始逐渐提高到设计值，使输出电压缓慢提升的电压控制方式。
②使过电流限制电路的电流限制值，逐渐增加的电流控制方式。

一般认为某些情况电压控制方式会随着负载状态出现电流流动现象，至于电流控制方式就能够精确限制突发电流。
　

图5 同步整流型DC-DC Converter的功率切换电路
　

b.升压型DC-DC变频器
使用升压型DC-DC变频器的可携式电子机器，大多以1~2个干电池当作电源，因此要求即使电池电压下降，电子机器也能够正常动作，类似这样要求电池完全放电的应用，镍锰氢或是镍镉电池可以有效防止电池出现记忆效应。

值得一提的是升压型DC-DC变频器的输入电流比输出电流大，尤其是启动时的电流非常大，这意味着电源启动时的软启动功能对电池残留量，一直到最后为止具有重要影响，如果没有软启动功能，输出达到额定电压期间会持续以大电流switching，容量降低内部阻抗上升后的电池，受到连续大电流的影响，会导致电池电压急遽降低，其结果造成电池电压低于启动途中，可以启动的电压无法顺利完成启动动作，因此升压型DC-DC变频器必需具备电流限制型的软启动功能，启动时可以降低电流限制值，随着输出电压的上升，会使电流限制值达到最高点。

某些情况限制启动电流的软启动功能会发生问题，类似CPU必需等电压上升才开始动作的电子电路，使用上并无太大问题，然而类似阻抗负载输出，电压上升之前就开始消费电流的电路，软启动的电流限制值会与负载的消费电流形成平衡，如此一来电压就无法提升，而且软启动功能会使电流限制值变成过大状态，其结果造成「输出电流未增加，电压也无法获得提升」的恶性循环，形成输出电压始终无法达到预期电压值的后果。

此外阻抗性负载或是马达等负性阻抗(亦即电压越小时，电流反而变大负载)的负载连接时，可能会发生无法启动的现象，此时必需在电源输出与负载之间设置开关(switch)，使电压站立后才开始提供电源给负载。

图6是降压型DC-DC变频器线圈内部电流与切换电压的特性，由图可知线圈内部流动的电流，会与输出电流I_out内的波动(ripple)电流重叠。

此处假设波动电流的峰值之间的电流为I_ripple，此时输出电流I_out若低于波动电流I_ripple的一半以下时，二极管整流的能量就无法逆流，储存在线圈内部的能量就会导致电压升高。反过来说降低ON duty，虽然无法维持输出电力，不过却可以获得线圈内部流动的电流成为0的时段，此时储存在线圈内部的能量会在高频引发共振现象(图6(c))，同时产生电磁波放射噪音，进而形成各式各样的障碍。

图6 二极管整流方式低电流时极易产生电磁波放射噪音
　

在同步整流中即使线圈内部流动的电流变成0，不需切断开关持续开启(ON)状态前提下，线圈电流可能会产生逆流现象，此时如图7所示若持续维持ON duty，由于线圈电流持续维持连续状态，因此能够构成低输出电流也不会发生电磁波放射、低噪讯的电源。

无负载时反覆在ON期间对输出电容充电，OFF期间使电容放电，此时即使负载电流是0的场合，由于类似图7的波动电流在流动，因此会产生损失。一般而言MOSFET的ON阻抗、线圈的直流阻抗，以及输出电容的ESR造成的阻抗损失，加上IC本身的自我消费电流反而是主要损失源。

在线圈流动可以使输出电容充、放电波动电流的能量，几乎都会在电源端回生，所以它所造成的损失往往比预期低。
　

图7 利用同步整流方式抑制电磁波放射噪音
　

结语
基于延长电子机器的动作时间等考量，电源电路必需具备优秀的电力转换效率，然而电力转换效率的高效率化却随着使用条件不同，其结果造成可携式电子机器的电源电压范围变得非常宽广，一般认为随着半导体IC加工技术的进化，利用喷墨技术的次世代电子元件制作技术逐渐实用化，未来可作长时间、高效率动作的电源电路特性可望获得革命性的改善。