Выбор оптимального повышающе-понижающего преобразователя для портативных устройств

Литий-ионный аккумулятор является популярным источником питания для портативных устройств. Его напряжение в заряженном состоянии составляет 4,2 В, а при полном разряде 2,8 В. Однако некоторые элементы портативного устройства, такие как SIM-карта и DSP, требуют 2,8 В и 3,3 В. Обычно эти уровни напряжения обеспечиваются малошумящими линейными стабилизаторами (LDO). Напряжение на входе LDO (VCC) должно быть выше, чем напряжение на его выходе. Следовательно, нижняя граница входного напряжения VCC находится прямо в середине диапазона рабочих напряжений литий-ионной батареи. Таким образом, необходимо использовать повышающе-понижающий регулятор, способный работать с входным напряжением, которое может быть выше или ниже выходного сигнала. На рисунке 1 аккумулятор (VBAT) является источником питания для типового портативного устройства.

Рис. 1. Входное напряжение LDO, задаваемое повышающе-понижающим преобразователем

Рис. 1. Входное напряжение LDO, задаваемое повышающе-понижающим преобразователем

В портативных устройствах эффективность преобразователя напряжения имеет первостепенное значение, поскольку более высокое значение КПД приводит к увеличению времени работы. Рассмотрим доступные варианты, сравним их производительность и определим наиболее эффективное решение.

Байпасная повышающая схема

Одним из способов решения проблемы является использование повышающего преобразователя с дополнительным байпасным (проходным) транзистором, включенным между источником питания VBAT и входом VCC линейного стабилизатора LDO. На рисунке 2 показана структура байпасной повышающей силовой схемы и таблица ее функциональных состояний. Здесь байпасный транзистор T3 используется в режиме понижения напряжения.

Рис. 2. Структура байпасной повышающей силовой схемы и таблица ее функциональных состояний

Рис. 2. Структура байпасной повышающей силовой схемы и таблица ее функциональных состояний

Эта архитектура может преобразовывать напряжения VBAT, если они меньше чем VCC = 3,4 В. Если же VBAT > 3,4 В, то повышающий преобразователь прекращает работу и включается байпасный транзистор, который напрямую коммутирует VBAT к VCC. На рисунке 3 показана кривая разряда аккумулятора и входное напряжение LDO для байпасной повышающей архитектуры.

Рис. 3. Форма входного напряжения LDO, формируемого байпасным повышающим преобразователем

Рис. 3. Форма входного напряжения LDO, формируемого байпасным повышающим преобразователем

В течение большей части времени VBAT > 3,4 В, и проходной транзистор байпасной повышающей схемы напрямую передает это напряжение на вход стабилизаторов LDO. Стабилизаторы используются для понижения высокого напряжения VBAT до заданных значений на выходе. Поскольку при этом используется линейный режим работы, то на LDO рассеивается повышенная мощность. Это приводит к увеличенному потреблению энергии, а также требует соответствующей конструкции платы и выбора ИС, способных рассеивать эту энергию.

Повышающе-понижающий преобразователь

В отличие от байпасно-повышающей архитектуры, повышающе-понижающий регулятор никогда не отключается и постоянно преобразовывает входное напряжение до 3,4 В. Кроме того, регулирование полностью идет в ключевом импульсном режиме, что обеспечивает высокую эффективность работы. На рисунке 4 показана архитектура повышающе-понижающего преобразователя и таблица его функциональных состояний.

Рис. 4. Структура повышающе-понижающий силовой схемы и таблица ее функциональных состояний

Рис. 4. Структура повышающе-понижающий силовой схемы и таблица ее функциональных состояний

При VBAT > VCC микросхема функционирует как понижающий преобразователь, а при VBAT < VCC – плавно переходит в режим повышения напряжения. Во всем диапазоне напряжений схема работает в импульсном режиме с высокой эффективностью. На рисунке 5 показана кривая разряда аккумулятора и входное напряжение LDO для повышающе-понижающей схемы.

Рис. 5. Форма входного напряжения LDO, формируемого повышающе-понижающим преобразователем

Рис. 5. Форма входного напряжения LDO, формируемого повышающе-понижающим преобразователем

На рисунке 6 сравнивается работа рассмотренных схем и выделяется область, где повышающе-понижающий преобразователь имеет явное преимущество с точки зрения рассеиваемой мощности. Закрашенный треугольник представляет собой потери мощности байпасно-повышающего преобразователя, работающего в линейном режиме.

Рис. 6. Сравнение входных напряжений LDO в схемах с повышающе-понижающим и с байпасно-повышающим преобразователями

Рис. 6. Сравнение входных напряжений LDO в схемах с повышающе-понижающим и с байпасно-повышающим преобразователями

Пример

В этом примере мы сравниваем эффективность преобразователя (от VBAT до VOUT) на базе повышающе-понижающей микросхемы MAX77801 и байпасно-повышающего преобразователя на основе конкурирующей ИС. Каждый регулятор питает один LDO 3,3 В, нагруженный на 500 мА (рисунок 7).

Рис. 7. Схема проведения испытаний

Рис. 7. Схема проведения испытаний

На рисунке 8 представлены результаты сравнения. КПД схем показаны сплошными линиями, пунктирные линии демонстрируют потребление тока аккумулятора для каждого решения. Как и ожидалось, эффективность обоих архитектур одинакова, если значение VBAT – меньше или мало отличается от значения напряжения LDO. Вне этого диапазона, когда VBAT превышает выходное напряжение LDO, эффективность повышающе-понижающего преобразователя (выше 90%) намного превосходит эффективность байпасно-повышающего преобразователя (всего 67% при полной батарее). Столь высокая эффективность повышающе-понижающего преобразователя обусловлена возможностью работы микросхемы в ключевом импульсном режиме во всем диапазоне напряжений.

Рис. 8. Сравнение эффективности повышающе-понижающего и байпасно-повышающего преобразователей

Рис. 8. Сравнение эффективности повышающе-понижающего и байпасно-повышающего преобразователей

Заключение

Сравнение повышающе-понижающей и байпасно-повышающей архитектур показывает, что повышающе-понижающий преобразователь по определению работает с высоким КПД. Практические испытания повышающе-понижающего преобразователя на базе микросхемы MAX77801 и конкурирующего байпасно-повышающего преобразователя продемонстрировали, что превышение по КПД решения от Maxim Integrated относительно значений КПД байпасно-повышающих преобразователей достигает 25%. Таким образом, микросхема повышающе-понижающего преобразователя является идеальным решением для портативных приложений с жесткими ограничениями по уровню потребления.

Оригинал статьи

•••

Наши информационные каналы

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее

Товары
Наименование
MAX77801EVKIT# (MAX)
MAX77801EWP+ (MAX)
MAX77801ETP+ (MAX)
MAX77801EWP+T (MAX)
MAX77801ETP+T (MAX)