延长锂离子电池使用寿命的最新电源解决方案

对于便携式电源应用而言，要充分利用高级电池技术体积小、能量密度大的优点，就必须在整个电池放电电压范围内实现高效工作。这对于要求3.3V总线的锂离子电池供电系统而言是个设计难题。尽管标准降压转换器在将4.2~3.0V锂离子电池降至1.8V等低输出电压时具有很高的转换效率，而标准升压转换器在将锂离子电池转换至5V等更高输出电压时也有很高的转换效率，但上述两种转换器均不是生成常用3.3V总线电压的最佳解决方案。SEPIC及传统升降压能够利用满电池容量，但却具有效率低、成本高、电路板面积较大及部件数多等缺点。采用三种配置的TPS6300x均可解决这些问题。TPS63000的可调输出范围是1.2~5.5V。TPS63001及TPS63002的固定输出电压分别为3.3V及5.0V。上述产品均采用小型10引脚QFN(DRC)封装。

TI TPS63001具有部件数最少、电路板面积小、成本较低等特点，且能够将锂离子电池输入电压高效转换为3.3V总线电压。单个3x3毫米QFN封装中除集成了升压与降压两种功能外，还包括开关FET、补偿与保护功能等。只需三个外部部件即可保证工作：输入与输出电容器及电感器。该转换器的峰值效率为96%(如图1所示)，峰值输出电流为800mA，其电流足以为大多数便携式负载供电。宽泛的输入电压范围(1.8~5.5V)能够配合许多常见电源工作，如双节或三节碱性电池及NiMH电池或3.3V与5V总线。

图：TPS63001效率图(电压1.8~5.5V，320mA负载(VOUT=3.3V))。

图2为单个锂离子电池供电的典型3.3V电源。由于开关频率为1.5MHz，因此可以使用小型的2.2μH电感器及0603体积的小型陶瓷输入、输出电容器。高效率再加上低外部部件数将整体解决方案尺寸降至6x6毫米(如图3所示)。

图2：典型应用电路。

高级控制拓扑实现效率最大化

TPS6300x采用如图4所示的标准H桥升降压功率级，同时包含与单个电感器连接的降压及升压两种开关FET配置。TPS6300x采用专有调制器设计，每次只开关其中两个FET，这种控制机制显著降低了不必要的开关损耗，与标准升降压模式连续同时开关四个FET不同。TPS6300x的降压或升压模式比传统的升降压模式的工作效率更高，进一步降低了功率损耗。

图3：6x6毫米板级空间内的典型布局。

当锂离子电池放电至低于3.3V时，升降压转换器必须从降压模式转变为升压模式。在该转换点，许多升降压控制机制会出现效率下降、电源抖动或输出电压不稳的情况。TPS6300x可根据需要在降压与升压模式间以逐脉冲方式进行无缝转换，因而能够在升压与降压范围内提供恒定的PWM开关，而不会在两个模式间产生叠加或停滞时间。

图4：电源部分结构图。

其它特性

TPS6300x还包含其它集成特性，便于增强便携式应用中的使用体验，如极低静态电流(低于50μA)，可由使用者选择的省电模式，在轻负载情况下保持高效的用户可选节电(PS)模式，以及有助于最小化系统噪声的外部同步等。

平均电流模式控制拓扑在降压与升压模式下均能提供快速瞬态响应与低输出纹波。在输入与负载范围内，输出稳压容限为±1%。内部补偿针对具备10至22μF输出电容器的2.2~4.7μH外部电感器进行了优化。

短路保护起到反向电流保护的作用，当输出电压降至3%时，输出限流最大值从1.7A降至800mA。这就降低了输出过载情况下的器件功耗。过载清除后即可恢复正常工作。这种方法的优点是能够对超级电容器等类型的大输出电容器进行充电。

PS模式即使是在低于300mA的轻负载下也能保持很高的效率。PS模式下，开关时间只能保证将输出电压升至略高于输出电压设定点，随后则停止开关直至输出电压再次降至设定点以下。这种"先开再关"的开关模式在轻负载下的效率很高。

其它应用

TPS6300x还能在电流调节模式下驱动白光LED(WLED)，即在WLED回路中用电阻替换输出分压网络。由于WLED的典型正向压降为4.2~3.5V，在大多数电源拓扑中用锂离子电池供电都有问题，原因是电源需要同时对其输出电压进行降压与升压。TPS6300x的升降压功能则很好地解决了这个问题，能够为喷灯或闪光灯应用轻松提供500mA电流。

本文小结

TPS6300x是将锂离子电池电压转换为3.3V总线电压的理想解决方案。其具备效率高、电路板面积小、成本低、升降压模式无缝转换等特点，是帮助设计工程师完成高性能、快速设计的理想选择。