如何为便携式应用选择正确的升压/降压型稳压器

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引言

便携设备广泛应用的电源是单节锂离子电池,充满电为4.2 V,完全放电为2.8 V。但是,在便携式电子设备上,如 SIM卡和 DSP,需要2.8 V和3.3 V电压。这些电压通常由低噪音 LDO提供。LDO输入(VCC)电压必须比 LDO的最大输出电压稍高。但是,VCC却在锂离子电池的中间部分停止工作。因此,使用升压/降压型稳压器,使其能够在输入电压高于或低于输出电压的情况下工作,是非常必要的。在典型便携设计中,图1显示了使用电池电压(VBAT)作为电源的应用。

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图1.由升压/降压转换器设定的LDO输入电压


便携式应用中,效率越高工作时间就越长,所以稳压器效率最为重要。本文回顾可供使用的选择,对其性能进行比较,并确定效率最高的方案。
旁路/升压
解决该问题的方式之一是使用旁路/升压转换器,也就是带有外部“旁路”晶体管的升压转换器;晶体管集成在电源(VBAT)与LDO输入(VCC)之间。图2所示为旁路/升压电源链结构及其操作表。其中旁路晶体管T3完成“低效”的降压操作。 20160702fig2

 

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图2.旁路/升压电源链及操作表


该结构只能调节低于设定的VCC = 3.4V的VBAT电压。如果VBAT > 3.4V,升压转换器停止调节,传输晶体管导通,直接将VBAT连接至VCC。图3所示为电池放电特性,以及旁通/升压结构下的LDO输入电压。
 

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图3.旁路/升压操作下的LDO输入电压特性


大部分时间(VBAT > 3.4V),旁通/升压结构中的传输晶体管原封不动地将输入电压“传递”给下游LDO电路。LDO负责将高VBAT值降压至其输出设定值。由于这一调节过程是线性的,所以LDO内部的功耗较高。这就造成能耗较高,并且也要求电路板设计和IC选择能够耗散这种能耗。
升/降压
与旁路/升压结构相比,该电路中使用的升/降压转换器自始至终将其输出稳压至3.4V。此外,稳压过程完全是开关模式,工作效率较高。图4所示为升/降压电源链结构及其操作表。

 

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图4.升/降压电源链及操作表


VBAT > VCC时,IC工作在Buck (降压)模式;VBAT < VCC时,平滑转换至Boost (升压)工作模式。以高效率、开关模式覆盖整个电池电压范围。图5所示为电池放电特性,以及升/降压结构下的LDO输入电压。
 

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图5.升/降压操作下的LDO输入电压特性


图6中将两种工作模式叠加在一起,其中阴影部分中,升/降压模式的功耗具有明显优势。阴影三角区域表示旁路/升压操作进行线性稳压时的功率损耗。
 

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图6.升/降压与旁路/升压模式下的LDO输入电压特性比较


案例分析
案例分析中,我们将Maxim MAX77801升/降压IC与竞争对手的旁路/升压IC进行比较。每种稳压器都驱动单3.3V LDO,负载电流为500mA。

 

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图7.效率测试配置


图8所示为比较结果。实线表示每种方案的效率,虚线表示其电池电流损耗。和预期一样,VBAT低于或接近LDO输出电压时,两种结构的效率相似;该范围之外,在VBAT高于LDO输出电压的整个时间内,升/降压结构的效率(高于90%)远远优于旁路/升压结构的效率(电池满电量时低至67%)。这种优异的性能是因为升/降压IC能够在整个工作范围内以开关模式为LDO供电。
 

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图8.升/降压与旁路/升压结构的效率比较


结论

通过升/降压结构与旁路/升压结构的比较,证实升/降压工作方式在本质上是一种高效的工作方式。经比较MAX77801升/升压方案和其他竞争者的旁路/升压结构,Maxim器件效率提高了25%以上。因此,升/降压 IC非常适合便携应用。

 

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