Tony Armstrong

凌力爾特公司  電源產(chǎn)品部  產(chǎn)品市場(chǎng)總監

引言

我們現在對電池都很熟悉，在大量產(chǎn)品和應用中，電池幾乎無(wú)處不在。常見(jiàn)例子包括手機和筆記本電腦。不過(guò)，在閃光燈、無(wú)繩工具、MP3 播放器、便攜式視頻游戲機、手持式萬(wàn)用表以及科學(xué)儀器和快速增長(cháng)的醫療保健設備中，電池也是很常見(jiàn)的。

因此，2011 年便攜式電池供電產(chǎn)品的全球市場(chǎng)估計值為 4800 億美元、預計 2016 年將超過(guò) 6110 億美元也就不足為奇了 [數據來(lái)源：BCC Research]。此外，這個(gè)市場(chǎng)預計會(huì )一直持續增長(cháng)到 2020 年。

這一市場(chǎng)可以粗略地分成以下幾類(lèi)：

• 約 29% 為通信產(chǎn)品
• 約 29% 為電腦相關(guān)產(chǎn)品
• 約 19% 為醫療保健產(chǎn)品
• 約 23% 為相機、玩具、娛樂(lè )、鐘表、照明、導航和軍用產(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之間獨特的協(xié)同增效作用導致的。

電池化學(xué)組成和應用

顯然，電池供電產(chǎn)品市場(chǎng)巨大，那么這類(lèi)產(chǎn)品中使用的電池之化學(xué)組成是什么情況呢? 當然，這些豐富多樣的產(chǎn)品中所使用最顯著(zhù)的電池化學(xué)組成是基于鋰的，估計 2016 年基于鋰的化學(xué)組成之市場(chǎng)規模為 225 億美元 (數據來(lái)源：Frost & Sullivan)。在鋰電池全球收入中，北美和中國占比超過(guò)一半。不僅如此，未來(lái)消費類(lèi)設備廠(chǎng)商、工業(yè)品制造商、電力和可再生能源存儲市場(chǎng)以及汽車(chē)制造商的關(guān)鍵最終用戶(hù)將進(jìn)一步促進(jìn)對鋰電池需求的增長(cháng)。工業(yè)、醫療保健、電動(dòng)工具和軍事應用市場(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(xiàn)從滿(mǎn)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(xiàn)是智能手機和 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)工具和醫療保健設備。在后面幾種情況下，也許需要多節電池來(lái)提供必要的運行時(shí)間以適合實(shí)際使用。這意味著(zhù)，將必須使用兩節到 4 節電池，或者串聯(lián)或者并聯(lián)，或者串并聯(lián)組合。結果，這類(lèi)電池配置的電壓范圍可能從 16.8V 變化到 10.8V (4 節鋰離子電池串聯(lián))，或從 8.4V 變化到 5.4V (兩節鋰離子電池串聯(lián))。

電池電壓轉換和布局考慮

高功率密度已經(jīng)成為對 DC/DC 轉換器的主要要求，因為這類(lèi)轉換器必須跟上電子產(chǎn)品不斷增長(cháng)的功能密度。類(lèi)似地，功耗也是今天功能豐富、組件緊密排列的設備考慮的主要問(wèn)題，這推進(jìn)了對高效率解決方案的需求，因為高效率解決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定輸出電壓的應用而言，找到高效率緊湊型解決方案可能是個(gè)挑戰，尤其在功率水平不斷上升時(shí)。諸如使用雙電感器 SEPIC 轉換器等常規設計方法效率相對較低，解決方案尺寸相對較大。

正如已經(jīng)討論的那樣，消耗大量功率的手持式設備、醫療產(chǎn)品和工業(yè)儀器常常需要多節或大容量電池，以滿(mǎn)足其不斷增長(cháng)的處理需求。很多負載需要在電池電壓范圍之內的穩定輸出，這就必須使用既可升壓又可降壓的轉換器。盡管 SEPIC 轉換器是一種可行解決方案，但是其尺寸較大、轉換效率不高不低，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(cháng)電池運行時(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 轉換器是理想的解決方案。

從電源設計師的角度來(lái)看，如果每回他們給原型機電源電路板首次加電，電路板都不僅工作，而且安靜、涼爽不熱地運行，那可真是太好了。不幸的是，這種情況并不總能發(fā)生。開(kāi)關(guān)電源的一種常見(jiàn)問(wèn)題是“不穩定”開(kāi)關(guān)波形。有時(shí)，波形抖動(dòng)非常顯著(zhù)，以至于能聽(tīng)到磁性組件發(fā)出的噪聲。如果問(wèn)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(kāi)關(guān)電源設計的早期即確定恰當的 PCB 布局是至關(guān)重要的，其重要性怎樣強調都不過(guò)分。

當然，電源設計師了解最終產(chǎn)品中電源的技術(shù)細節和功能要求。他們通常從一開(kāi)始就與 PCB 布局設計師針對關(guān)鍵電源布局展開(kāi)緊密合作。良好的布局設計可優(yōu)化電源效率、減輕過(guò)熱壓力，而且最重要的是，最大限度降低了噪聲以及走線(xiàn)和組件之間的互動(dòng)。為了實(shí)現這些目標，對設計師而言很重要的是，了解開(kāi)關(guān)電源中電流導通路徑和信號的流動(dòng)。

在一個(gè)沒(méi)有為表面貼裝功率 MOSFET 和電感器加裝外部散熱器的設計中，有必要用充足的銅箔區作為散熱器。就一個(gè) DC 電壓節點(diǎn)而言，例如輸入 / 輸出電壓和電源地，人們希望讓銅箔區域盡可能大。多個(gè)通孔對進(jìn)一步降低過(guò)熱壓力是有幫助的。就高 dv/dt 開(kāi)關(guān)節點(diǎn)而言，開(kāi)關(guān)節點(diǎn)銅箔區域大小合適與否，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計權衡之后才能確定。

最后，控制電路應該遠離有開(kāi)關(guān)切換因而產(chǎn)生噪聲的銅箔區。讓控制電路靠近降壓型轉換器的 Vout+ 側和靠近升壓型轉換器的 Vin+ 側，是優(yōu)先選擇，在這些地方，電源走線(xiàn)攜帶連續電流。如果空間允許，控制 IC 應該放置在與功率 MOSFET 和電感器有一小段距離的地方 (0.5 英寸至 1 英寸)，因為 MOSFET 和電感器既有噪聲、溫度又高。不過(guò)，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)化的電源轉換器解決方案

顯然，電源設計師的工作并不輕松。當輸入可能高于、低于甚至等于輸出時(shí)，需要優(yōu)化 SEPIC 轉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)險的解決方案是很有好處的。優(yōu)化和集成功率 MOSFET 以構成緊湊、高效率的解決方案，就可以簡(jiǎn)化設計任務(wù)。幸運的是，凌力爾特剛好提供了一些新的轉換器解決方案，實(shí)現了上述的優(yōu)化和集成。

LTC3119 是一款同步電流模式單片降壓-升壓型轉換器，在降壓模式時(shí)，可從多種輸入源提供高達 5A 的連續輸出電流，輸入源包括單節或多節電池、未穩壓交流適配器以及太陽(yáng)能電池板和超級電容器。就脈沖負載應用而言，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展至 250mV。輸入高于、低于或等于輸出時(shí)，輸出電壓都是穩定的，且輸出電壓在 0.8V 至 18V 范圍內是可編程的。用戶(hù)可選突發(fā)模式 (Burst Mode^®) 運行將靜態(tài)電流降至僅為 31μA，從而提高了輕負載時(shí)的效率，同時(shí)延長(cháng)了電池運行時(shí)間。LTC3119 采用的專(zhuān)有 4 開(kāi)關(guān) PWM 降壓-升壓型拓撲在所有工作模式時(shí)均提供低噪聲、無(wú)抖動(dòng)切換，從而非常適合對電源噪聲敏感的 RF 應用和精確的模擬應用。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(jiàn)圖 1 以了解該器件的簡(jiǎn)化原理圖。

LTC3119 包含 4 個(gè)內部低 R_DSON N 溝道 MOSFET，提供高達 95% 的效率。突發(fā)模式運行可禁止，以提供低噪聲連續切換。外部頻率設定或用內部 PLL 實(shí)現同步使得可以在很寬的 400kHz 至 2MHz 開(kāi)關(guān)頻率范圍內運行，這就允許在轉換效率和解決方案尺寸之間做出權衡。其他特點(diǎn)包括短路保護、熱過(guò)載保護、低于 3μA 的停機電流和一個(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、大電流脈沖負載應用、系統備份電源、以及甚至連接 12V 轉換系統的鉛酸電池。

圖 1：高集成度、高性能 LTC3119 的原理圖

很多便攜式系統都需要用多個(gè)輸入源供電，包括單節或多節電池配置、交流適配器和超級電容器組。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(wú)損耗 PowerPath™，能夠提供高達 2A 的連續輸出電流。LTC3118 集成了智能功能，可自動(dòng)轉換到合適的輸入源，以無(wú)縫保持穩定的輸出。每個(gè)輸入都可以在 2.2V 至 18V 范圍內運行，同時(shí)輸出可以在 2V 至 18V 范圍內設定，從而使該器件適合多種應用。LTC3118 采用低噪聲、電流模式降壓-升壓型拓撲架構和固定 1.2MHz 開(kāi)關(guān)頻率。其獨特的設計允許在降壓和升壓模式之間提供連續、無(wú)抖動(dòng)的轉換，從而使該器件非常適合 RF 和其他噪聲敏感應用。該器件使用纖巧的外部組件，采用 4mm x 5mm QFN 或 TSSOP-28E 封裝，可構成占板面積緊湊的解決方案。參見(jiàn)圖 2 以了解其簡(jiǎn)化原理圖。

LTC3118 包含 4 個(gè)內部低 R_DS(ON) N 溝道 MOSFET，從任意輸入都可提供高達 94% 的效率。用戶(hù)可選突發(fā)模式運行將輸入靜態(tài)電流降至僅為 50μA，從而提高了輕負載時(shí)的效率，并延長(cháng)了電池運行時(shí)間。就噪聲敏感應用而言，突發(fā)模式運行可禁止，從而能夠不受負載電流影響地以固定頻率、低噪聲運行。其他特點(diǎn)包括軟啟動(dòng)、過(guò)壓保護、短路保護、過(guò)熱停機和輸出斷接。

圖 2：在兩個(gè)輸入之間具 PowerPath 電路的 LTC3118 的原理圖

結論

就設計多種電池供電的便攜式產(chǎn)品以滿(mǎn)足對通信、醫療和電腦相關(guān)產(chǎn)品不斷增長(cháng)的需求而言，已經(jīng)呈現出巨大的機會(huì )。在選擇合適的電源轉換解決方案以滿(mǎn)足關(guān)鍵設計目標方面，系統設計師面臨一些艱難的挑戰，這些設計目標包括在不損害效率、運行時(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計性。

設計一個(gè)滿(mǎn)足系統目標又不影響性能的解決方案可能是個(gè)艱巨的任務(wù)。幸運的是，凌力爾特提供了越來(lái)越多的降壓-升壓型轉換器解決方案，這些解決方案由于能夠跨很寬的負載范圍高效率運行，所以可簡(jiǎn)化設計，提供同類(lèi)最佳功能，并能夠伴隨著(zhù)電池充電周期最大限度延長(cháng)運行時(shí)間。