便携式系统选择电源拓扑方案的分析及对比

通常情况下LDO解决方案的尺寸最小，因此当主系统对空间有严格要求时，它是一种理想选择。LDO解决方案的成本通常也是最低的，因此非常适用于低成本应用。众多设计工程师因LDO低效而放弃采用该方案，但是仔细研究后可以发现，该应用中的效绕行电感率还是不错的：



当充满电的锂离子电池的起始电压为4.2V时，LDO的初始效率为78％，且其效率随电池电压的降低而上升。

降压/升压转换器方案

降压/升压拓扑的应用非常广泛。这种拓扑结合了上述其他解决方案的所有优点。顾名思义，该拓扑同时具有降压、升压两种功能，因此可以100%利用电池电量。

降压/升压转换器的部署方式决定了其具有极高的转换效率。例如，德州仪器(TI)全集成降压/升压转换器TPS63000在从3.6V降至3.3V过程中，转化效率达到了95％左右。高转换率意味着可以充分利用电池电量，从而实现最长运行时间。与降压解决方案的元件数量与体积相比，集成了功率开关、补偿元件以及反馈电路的全集成降压/升压转换器均不处于劣势，而且外部组件仅需输入电容、输出电容和电感。高度集成的单芯片IC解决方案有助于降低系统总体成本。

降压/升压功率级如图2所示，该拓扑由带2个功率开关的降压功率级和带2个功率开关的升压功率级组成，这两个功率级通过功率电感器相连。这些开关可以在三种不同模式下工作电力电感器：降压/升压模式、降压模式以及升压模式。特定的IC运行模式具有特定的输入输出电压比和IC控制拓扑。



图 2：降压/升压功率级由带 2 个功率开关的降压功率级和带 2 个功率开关的升压功率级组成。

降压/升压转换器不尽相同

便携式应用对降压/升压转换器的需求由来已久，但对其尺寸与效率的电感厂家要求通常非常严格。直到最近，半导体封装技术才发展到可以将4个MOSFET开关及相应的控制环路集成到小型封装中。

尽管不同的降压/升压解决方案具有相同的功率级拓扑，但控制电路相差很大。现有3款标准降压/升压转化器已供货，第一款在每个开关周期中4个MOSFET开关均处于工作状态，此类工作模式可以产生标准的降压/升压波形。仔细分析这些波形可以发现，通过电感器和MOSFET的有效电流(RMS)比标准降压或升压转换器高很多，这将导致标准降压/升压转换器的传导损耗及开关损耗增加。同步运行4个开关也会提高门驱动损耗，从而使低输出电流状态下的效率急剧下降。

第二款新型降压/升压控制方式在每个开关周期只运行2个MOSFET，从而降低了损耗。从图2可以看出，这种控制方案可以运行于三种不同模式。当Vin大于Vout时，转换器打开Q4并关闭Q3，然后将Q1及Q2作为标准降压转换器使用；当Vin小于Vout时，控制电路打开Q2并关闭Q1，然后将Q3及Q4作为标准升压转换器使用。但这种控制模式在降压与升压模式间的转换区会出现一些运行和控制问题。为解决这些问题，可在转换过程采用标准降压/升压模式。因为在标准降压/升压工作模式下，所有4个开关均处于工作状态，所以能够解决这些控制问题。但开关损耗与RMS电流的提高使得转换区中的效率骤降，而且这个效率骤降区接近电池电压(大部分电池电量在此时提供)，所以在电池放电曲线的大部分区域中，转换器工作于低效的降压/升压模式下。

第三款降压/升压控制模式消除了降压与升压模式间的转换区域，所以在性能与效率方面得以显著提高。TI的TPS63000降压/升压转换器包含先进的控制拓扑，从而能够解决标准降压/升压转换器所面临的各种问题。无论运行于何种模式下，TPS63000在每个开关周期仅有两个开关处于工作，这不仅减少了功耗，而且还在电池完全放电曲线过程中保持高效率。与一些解决方案不同的是，TPS63000集成了所有补偿电路，而且仅需3个外部组件便可运行，从而实现产品尺寸最小化。

图3为4种解决方案中锂离子电池电压下降到3.3V时的放电曲线与运行时间的对应关系。这些解决方案包括级联降压与升压一体电感器转换器、单独的降压转换器、LDO转换器以及TPS63000降压/升压转换器。图中采用具有1650mAHr容量且充满电的18650锂离子电池。负载电流为500mA，当3.3V电压轨电压低于最初设定值5％时系统关闭。这里要求使用同一电池以避免因电池容量差异而导致数据偏差。和我们预期的一样，LDO的运行时间较短，仅为190分钟，而降压/升压转换器的运行时间最长，达到了203分钟，级联降压/升压解决方案的运行时间最短，仅为175分钟。表1显示了真实系统放电曲线的关键区域比较。 变压器与电感器设计平面变压器厂家 | 平面电感厂家

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