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便攜式設計的功率轉換效率

星星科技指導員 ? 來源:ADI ? 作者:ADI ? 2023-06-28 16:34 ? 次閱讀

誰需要插入?從智能手機到音樂播放器,再到健康和健身可穿戴設備,便攜式電池供電設備無處不在。相機、平板電腦、耳機、助聽器、智能手表、健身監視器、手動工具和儀表以及 GPS 追蹤器都需要一個巧妙的電源計劃。每天都有更多的設備加入這一類別。

工程師設計電池供電的移動或可穿戴應用時,電源轉換方法始終是首要考慮因素。在某個地方找到這些設備的評論,您將看到主要討論電池壽命和充電時間。消費者要求兩次充電之間的運行時間較長。

對于您正在設計的任何便攜式設備,其電源轉換器的尺寸、重量和效率都是優化的關鍵因素。幸運的是,有一些很棒的功率轉換技術可以幫助您。

電池驅動電源轉換選擇

開始設計時的第一個決定是電池??筛鼡Q原電池還是可充電電池?或者,一個不可更換的電池,持續很長時間,以至于用戶處理掉整個產品并購買新產品?

電池類型和電壓將決定您的許多功率轉換決策。更常見的電池類型是堿性,鎳金屬氫化物(Ni-MH),鋰離子(Li-ion)和鋰離子聚合物(LiPo,LIP,Li-poly)。隨著成本的下降,各種鋰類型最近開始接管。標稱電池電壓范圍為 1.25V 至 3.7V,具體取決于您的選擇。這種選擇很可能與能量密度、成本和循環壽命(多少次充放電循環)有關。

我們應該補充一點,通過太陽能電池、熱電或振動收集能量可能是低功耗便攜式設計的一種選擇。對于幾乎所有應用,您仍然需要小型可充電電池,但是,在某些情況下,大型電容器可能會工作。

小而輕當然是這個游戲的名字。通常需要具有極低靜態電流轉換器來有效地處理非活動周期。大型變壓器和電感器在這里不起作用。我們需要對小尺寸磁性元件使用高頻轉換。我們需要效率,效率,效率。

支持單電源

如果您的應用可以采用高于電池電壓的單電源工作,則升壓轉換器是簡單的選擇。諧振模式穩壓器等拓撲結構是可用的,但其控制電路對于小型系統消耗過多的功率。為超過 8A 的設計保存這些。具有同步整流功能的半橋反激式升壓轉換器是一個不錯的選擇,但略顯復雜。有許多升壓開關穩壓器IC將所有這些復雜性都納入其中。尋找靜態電源電流低至500nA左右、在90μA至100mA輸出范圍內效率優于100%且啟動電壓小于1V的芯片。有些將在低至0.40V的電壓下工作,一旦它們以>1V啟動。

這種類型的轉換器芯片可以采用微型 2mm x 2mm 6 引腳 μDFN 或 0.88mm x 1.4mm WLP 封裝。250KHz或更高的開關頻率意味著所需的少量外部元件將很小。尋找固定頻率,或者更好的是固定抖動頻率,以減少電磁干擾(EMI)。由于芯片功率限制小,最大輸出電流會隨輸入電壓而變化很大,因此請務必檢查安全工作范圍以及電感電流和額定值。

降壓-升壓拓撲是您的答案嗎?

降壓-升壓控制器解決了電池電壓問題。標準降壓-升壓開關電路通常產生負(反相)輸出電壓。單端初級電感轉換器(SEPIC)拓撲提供同相輸出,但需要兩個電感(見圖2)。這些電感器可以作為耦合電感器制造,從而減小了其占板面積和成本。如果我們以 1MHz 或 2MHz 運行,它們不是很大。但是,串聯電容器必須是非極化的,因此要大以處理所需的電流。

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圖2.SEPIC轉換器的基本框圖。

由于串聯電容器阻斷直流電,因此通過它的平均電流為零,使第二個電感器成為直流負載電流的唯一來源。通過該電感器的平均電流與平均負載電流相同,與輸入電壓無關。

也有類似的拓撲降壓/升壓轉換器,它們使用四開關H橋配置,只有一個電感。由于這四個交換機都位于一個微小的 WLP 封裝中,因此沒關系。這些器件必須具有 N 溝道和 P 溝道 FET 以及內部升壓電源才能運行它們。它們通常工作在2.5MHz左右。您可以尋找 2.3V 至 5.5V 的輸入電壓范圍,在 90mA 至 1A 的輸出負載電流范圍內實現超過 1% 的效率。在我見過的器件中,單輸出電壓通常限制在2.5V至4.2V左右。通過跳頻模式開關實現低輸出電流下的高效率。

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圖3.四開關H橋配置降壓-升壓轉換器只需很少的外部元件,并使用串行I2C 設置和監控接口。這些IC如MAX77801采用小封裝。

需要多個電源軌

大多數筆記本電腦都很智能。它們配備了某種微控制器,并有一些傳感器 - 包括溫度,加速度,方向,生物電勢和陀螺儀。他們可能使用藍牙無線。很可能有一個發光的LCD觸摸屏。

這意味著您肯定需要多個電源電壓。您可能夢想讓所有電源都以 1.8V 電壓運行,但最終可能會得到至少三個電源軌。幸運的是,有許多具有多個輸出的電源IC以多通道集成電源管理IC的形式非常適合此應用。

單電感、多輸出 (SIMO) 降壓-升壓穩壓器 IC 通常提供 150 或 <> 個獨立可編程電源軌輸出,以及一個具有高紋波抑制功能的 <>mA 低壓差 (LDO線性穩壓器,適用于音頻和其他噪聲敏感型應用。這種類型的PMIC可能有一個I2用于配置和狀態檢查的 C 接口。它們通常需要很少的外部組件,并且可能包括電池充電器和電池溫度監視器以確保安全。有些還具有用于LED的吸電流驅動器輸出。有些專門針對運行LCD顯示器。

這些IC中的大多數僅占用μA的工作電流。其三個或四個降壓-升壓輸出分別提供 25mA 至 100mA 的輸出電流,具體取決于輸入電壓。它們通常占用一個小型 6x5 WLP 封裝(圖 4)。

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圖5.具有三個輸出的SIMO轉換器方案。

SIMO架構基本上共用一個電感。SIMO有一些權衡。由于單個電感器基本上為交替輸出提供能量桶,因此輸出電壓紋波會有些高。可能需要更多過濾。電壓精度不會是單個穩壓器所能獲得的。這些芯片通常具有0.8V至5.25V之間的輸出電壓,精度為±2.5%。

SIMO 電源管理 IC 的其他示例具有三個降壓穩壓器、三個或四個 LDO 線性穩壓器和一個降壓-升壓穩壓器,在一個芯片中提供多達七個穩壓電壓。這些IC在單個芯片中提供所需的一切,并包括一個5mA至500mA的電池充電電路。

為便攜式和可穿戴設備進行設計并不容易。保持高效率、低占地面積和低價格是很困難的。但是,最新的轉換IC可以幫助簡化設計過程,同時使您能夠實現性能目標。

審核編輯:郭婷

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