緊跟高耗電移動設(shè)備的發(fā)展

電池續(xù)航時間和熱平衡是移動電源管理系統(tǒng)設(shè)計工程師面臨的兩個最大挑戰(zhàn)。隨著設(shè)備硬件和軟件功能的增加，如Web瀏覽、更高分辨率的攝像頭、尺寸更大的高清屏幕、速度更快的處理器和4G，來自為這些系統(tǒng)供電的穩(wěn)壓器的峰值功率要求也在增加。并行執(zhí)行多個進程意味著總負載電流會快速上升，給電源管理系統(tǒng)帶來巨大的供電和散熱壓力。

系統(tǒng)工程師提出了許多創(chuàng)新解決方案來延長電池續(xù)航時間，雖然大多數(shù)電源要求都已被整合入智能手機和平板電腦的電源管理IC（PMIC），但是還需要分立解決方案來跟上下一輪移動系統(tǒng)創(chuàng)新的要求。這些極端重要和非常專門化的分立解決方案可增加PMIC的性能和最大化移動設(shè)備的電源效率。

本文討論了在增加移動產(chǎn)品的電源效率時面臨的挑戰(zhàn)，并介紹電源系統(tǒng)設(shè)計工程師如何使用下一代降壓-升壓轉(zhuǎn)換器來延長鋰離子（Li-ion）或鋰聚合物電池的續(xù)航時間，以及降低功耗，以滿足日益嚴苛的熱平衡要求。

用作前置穩(wěn)壓器的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可在提高系統(tǒng)整體效率和延長電池續(xù)航時間方面發(fā)揮重要作用。例如，它們在用作PMIC低壓差穩(wěn)壓器（LDO）的前置穩(wěn)壓器方面就十分成功。移動系統(tǒng)PMIC可使用多達30個專用于子系統(tǒng)（如藍牙、SD內(nèi)存和RF收發(fā)器）的LDO，其輸出電壓范圍為1.2V - 3.3V。通常用于這些系統(tǒng)的鋰離子電池可具有從4.35V到低至2.5V（在動態(tài)線路和負載瞬變情況下）的電壓范圍，盡管電池電壓大多數(shù)時間維持在3.7V。

問題是，大LDO壓差會造成過量效率損失，且線電壓擾動可能導致這些下游子系統(tǒng)的瞬時欠壓問題。這個問題可通過提供穩(wěn)定的輸出電壓（如3.3V）來解決，這也讓LDO系統(tǒng)設(shè)計更容易，因為更容易預測系統(tǒng)在頻繁瞬變條件下的運行狀態(tài)。但關(guān)鍵改進是來自所有LDO的余量電壓和壓差的減小。事實上，效率優(yōu)勢會相當可觀。熱預算也因為PMIC的功耗降低（這會降低管芯溫度和PMIC器件內(nèi)所有功率MOSFET導通電阻）而受益。

如圖1所示，給PMIC LDO供電的方法有兩種：用電池直接供電，或通過降壓-升壓轉(zhuǎn)換器供電。

圖1：使用兩種LDO供電方案的典型移動電源系統(tǒng)

Intersil的工程師進行了一次實驗，來比較兩種方法對電池續(xù)航時間的影響。實驗安排模擬了常見的應用情況，如通過Wi-Fi傳遞的視頻流和對SD內(nèi)存卡的讀/寫操作。在此情形下，實驗發(fā)現(xiàn)使用降壓-升壓穩(wěn)壓器的方法可使電池續(xù)航時間延長8%以上。圖2顯示了在同一個負載下分別使用電池直接給LDO供電和通過降壓升壓轉(zhuǎn)換器再給LDO供電的兩種情況下的電池放電曲線。

圖2：使用和不使用降壓-升壓穩(wěn)壓器的電池放電試驗。

降低無負載靜態(tài)電流

除了正常工作期間的能量節(jié)省，如圖3所示，開關(guān)轉(zhuǎn)換器還能從實驗中使用的ISL91106降壓-升壓轉(zhuǎn)換器集成的低功耗旁路模式獲益良多。在低功耗旁路模式下，轉(zhuǎn)換器的輸出直接連接至輸入。該特性可幫助使轉(zhuǎn)換器的無負載靜態(tài)電流降低多達98%，同時維持下游子系統(tǒng)（如PMIC、SoC、音頻、顯示屏、攝像頭和接口外設(shè)）的睡眠模式或“keep-alive”功能。

圖3：提供引腳控制式旁路功能的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

這一由邏輯方法控制實現(xiàn)的旁路功能可向系統(tǒng)工程師提供傳統(tǒng)開關(guān)轉(zhuǎn)換器無法提供的靈活性。一旦該旁路功能被禁用，轉(zhuǎn)換器就能回到良好的穩(wěn)定輸出電壓。

諸如ISL91106和ISL91107等下一代降壓-升壓轉(zhuǎn)換器采用可提供高達96%效率的H橋架構(gòu)，解決方案總尺寸小于20 mm2，同時在使用典型鋰離子/鋰聚合物電池的情況下，仍然可以提供高達9W的輸出功率。

作者簡介

Sameer Dash是Interil公司移動電源產(chǎn)品事業(yè)部的應用工程師。Dash先生擁有印度DA-IICT的電氣工程技術(shù)學士和杜克大學的工程管理理學碩士學位。