低功率dc/dc转换器提高手持设备的电池寿命

上网时间: 2002年10月01日? 作者:Dave Bell? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:低功率? 手持设备?

手持设备的电源问题一直是人们关注的重点。在以前,产品体积的不断缩小迫使制造商改变电源架构,于是线性调压器受到广泛运用就在情理之中。主要原因是它们的小体积和低价格,然而低下的效率严重影响了电池的寿命,尤其是在电源电压持续降低的情况下。在消费者看来,产品体积的缩小、功能的增多,是不能以牺牲电池寿命为代价的。为解决这个矛盾,在手持设备中增加低功率dc/dc转换器的做法开始流行。

一般情况下,高级手持设备的电源是锂离子电池,电压范围为3-4.2V。在手持设备中增加低功率dc/dc转换器组,就可以从锂离子电池提供的电压得到其他必需的电压。许多这种新的dc/dc转换器在比较大的负载电流范围内转换效率非常高,从而使电池寿命最大化。

然而执行不同功能的器件对工作电压的要求不同。例如,处理器和逻辑器件通常需要1.8V的低电压,所以需要一个或者多个降压dc/dc转换器;对于模拟电路和显示电路通常需要4-5V的电压,这时候就需要升压的转换器;最困难的是产生一个处于中间范围的电压值(比如3.3V),这时就需要用到降压-升压(buck-boost)结构。幸运的是,用高效的低功率转换器可以满足以上所有需要。

低、高压dc/dc转换器

各种各样的同步降压dc/dc转换器都被应用到锂离子电池的控制当中。这些调整器最大能提供300mA的负载电流,并能为CPU提供低至0.8V的电压。由于需要极少外部元件,这些电压调整器可以做到很小;而1.5MHz的开关频率也使得输出端的电感值、电容值以及尺寸都很小。于是完整的dc/dc转换器和无源器件就可以集成在一块厚度不到1mm的芯片上。

大多数手持设备有两种工作模式:激活模式和休眠模式。处于激活模式时,电流消耗通常很高,所以高的转换效率是电池寿命最大化的关键。然而,许多手持设备绝大多数时间处于休眠模式,这种模式只需要很小的功率。在休眠状态下,电源的高效率同样重要。这就意味电源的静态电流(低负载或者空载时的电流)必须远远小于负载电流,这样才能保持高效率。

当负载电流在三个数量级范围(0.1-100 mA)内波动时,使用同步调整器获得高效率是通常也是非常可取的作法,其效率最高可达到92%,这时输出电压是1.8V。脉冲模式(Burst Mode)在低负载的情况下使静态电流减小到20μA,而在1mA负载电流情况下,效率最高能达到87%。

尽管低电压是明显的发展趋势,许多手持设备仍然需要高电压:比如,模拟电路需5V电压,LCD偏压需要的电压甚至更高。对于具体的应用比如LCD偏压,电压调整器的输出电压可以达到±34V,而且效率非常高。

降压-升压转换器

奇怪的是,从单块锂离子电池得到3.3V却很困难。因为输出电压可能比输入高或者低,这就需要一种新的dc/dc架构。传统的做法有两种:一是升压转换器加上一个线性调整器,一是单端初级电感转换器(SEPIC)。这两种方法都很复杂、效率低下,而且占用相当大的PCB面积。因此,供应商都看好降压-升压转换器。

采用降压-升压转换器会对PCB布局带来一定难度。制造商尤其要注意两类噪声的产生:射频噪声与音频噪声。当无线通信电路嵌入到手持设备里时,电源开关频率的基波与谐波会引起射频干扰,而减少噪声耦合的关键是运用好的布局技术。另外,开关频率的同步化也可以使开关噪声远离敏感频率。实际上,大多数dc/dc转换器都支持同步化,但是这要求转换器工作在一个与负载电流无关的固定频率上(脉冲模式下不满足这个要求)。同步后噪声是可预测的,由于MOSFET处于连续开关状态,这时静态电流比较大,一般为几个毫安。

上述的大多数dc/dc转换器都有MODE/SYNC引脚,允许有连续开关、同步开关(也是连续的)或者脉冲模式三种工作模式。当被用来减小射频和音频噪声时,手持设备的MCU可以选择工作在连续开关或者同步开关模式。然而,当产品处于休眠状态时,MCU可选择脉冲模式以获得最小的静态电流和最长的电池寿命。利用现代的低功率dc/dc转换器,同时获得长电池寿命、小尺寸和低噪声的目标已是可行的。

作者:Dave Bell


Linear Technology公司


功率事业部副总裁兼总经理


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