引言

便携式设备广泛使用的电源为单节锂离子电池,其充满电时为4.2V,放完电时为2.8V。然而,便携式电子设备中的某些功能,例如SIM卡和DSP,要求2.8V和3.3V电压。这些电压一般由低噪声LDO提供。LDO输入(VCC)电压必须稍高于LDO的最大输出电压。然而,VCC恰恰在锂离子电池工作范围的中段停止工作。所以,使用升压/降压型稳压器,能够在输入电压高于或低于输出电压时工作,就变得非常必要。图1所示为典型便携式设计中使用电池电压(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

升/降压结构与旁路/升压结构的比较证明,升/降压工作模式在本质上具有优异的效率。通过将MAX77801升/降压方案与竞争对手的旁路/升压结构进行实际比较,结果表明Maxim器件的效率高出达25%。所以,升/降压IC是便携式应用的理想方案。