降壓-升壓為帶備用電池的系統(tǒng)提供高功率密度和更高的系統(tǒng)效率

配備關(guān)鍵通信功能的系統(tǒng)可能會配備備用電池，以防發(fā)生任何停電或故障，以確保連續(xù)運(yùn)行。其中許多系統(tǒng)正在趕上USB C趨勢來接收和提供電源。寬系統(tǒng)輸入電壓可在 12V 至 2.7V 之間變化，具體取決于備用電池的化學(xué)成分和配置?？紤]到如此寬的輸入電壓范圍，電源架構(gòu)可能相當(dāng)復(fù)雜。在此設(shè)計解決方案中，我們展示了小型單芯片降壓-升壓轉(zhuǎn)換器如何通過提供更高的功率、優(yōu)化解決方案尺寸和系統(tǒng)效率來簡化系統(tǒng)電源設(shè)計。

介紹

配備關(guān)鍵通信功能的系統(tǒng)利用備用電池在任何斷電或故障期間保持通信。這種方法廣泛應(yīng)用于安防和智能家居監(jiān)控面板（如圖1所示）、專業(yè)平板電腦、移動支付終端等。一些由交流適配器供電的系統(tǒng)正在轉(zhuǎn)向 USB C 電源，因為新設(shè)計轉(zhuǎn)向通用且可互換的 USB C 適配器以實現(xiàn)靈活性。利用USB C作為輸入電源，12V是為整個系統(tǒng)供電的最常見實現(xiàn)方式。備用電池可能變化很大，但單節(jié)或雙節(jié)鋰離子或三到四節(jié)堿性/鎳氫電池使用最廣泛。這意味著當(dāng)系統(tǒng)從備用電池獲取電源時，輸入電壓可低至2.7V?？傮w而言，上述系統(tǒng)的輸入電壓范圍很寬，為2.7V至12V。

這些系統(tǒng)中內(nèi)置的關(guān)鍵通信模塊也可能有很大差異，包括但不限于藍(lán)牙、Wi-Fi 和長期演進(jìn) （LTE）。雖然通信模塊不同，但它們通常需要3.3V至3.6V的功率，電流范圍從幾十毫安到幾百毫安不等。某些系統(tǒng)帶有需要 5V 電源的揚(yáng)聲器?？赡苓€有一個需要 5V 的下游 USB 端口，并且根據(jù)法規(guī)，需要高達(dá) 2.4A 的電源。如果系統(tǒng)實現(xiàn) USB C 端口并采用 USB C 供電 （PD） 標(biāo)準(zhǔn)，則 USB C 端口可能需要更高的電壓（例如 9V）和高達(dá) 3A 的電流。

在 2.7V 至 12V 如此寬的輸入電壓范圍內(nèi)，使用多個降壓和升壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一致的 5V 和 3.3V 輸出似乎微不足道。但是，當(dāng)考慮需要優(yōu)化系統(tǒng)效率以延長電池壽命時，當(dāng)外形尺寸成為限制時，電源設(shè)計的復(fù)雜性會增加，尤其是在涉及USB C PD時。

USB Type-C PD 規(guī)范允許將充電電壓提高到 20V，電流增加到 5A，最大功率為 100W。對于筆記本電腦以外的便攜式設(shè)備，18W （9V/2A） 提供快速充電，讓用戶隨時隨地使用。USB C PD規(guī)范為電源設(shè)計增加了另一層復(fù)雜性，因為需要考慮額外的高達(dá)2A的9V電源軌。

本設(shè)計解決方案討論了降壓-升壓轉(zhuǎn)換器如何簡化前面描述的此類系統(tǒng)的電源設(shè)計，以及它如何支持在USB C端口增加9V、2A和18W功能，并介紹了一種新穎的高度集成、高效率電源管理實現(xiàn)。

典型電源系統(tǒng)

圖 2 顯示了系統(tǒng)完全配備 USB 端口、揚(yáng)聲器、LTE 和 Wi-Fi 的典型電源設(shè)計。

由于輸入電壓范圍較寬，因此下游降壓轉(zhuǎn)換器需要中間總線電壓。這可以通過旁路升壓轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)。當(dāng)存在適配器電壓時，升壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)入旁路模式，中間總線是適配器電壓，下游降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生5V和3.6V。當(dāng)適配器電源缺失且備用電池正在使用時，升壓轉(zhuǎn)換器將電池電壓升壓至計算電壓，以便降壓轉(zhuǎn)換器可以在其占空比限制內(nèi)工作。

雖然這種架構(gòu)支持所有電源要求，但它遠(yuǎn)非高效，更不用說高成本的BOM和大PCB尺寸了。兩級電源轉(zhuǎn)換，先升壓后降壓，系統(tǒng)效率低。在這種情況下，假設(shè)升壓轉(zhuǎn)換器的效率為90%，降壓轉(zhuǎn)換器的效率為93%，則系統(tǒng)總效率為83.7%。低系統(tǒng)效率在使用時會耗盡備用電池，為了在停電期間保持運(yùn)行，需要更大的電池容量，這反過來又增加了系統(tǒng)尺寸和成本。除了系統(tǒng)效率低之外，還需要四組具有大量外部元件的DC-DC轉(zhuǎn)換器，因此需要額外的PCB空間和成本。隨著系統(tǒng)功率需求的增加，升壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的功率也會增加，因此需要更大的電感。

圖2.具有 USB 端口、揚(yáng)聲器、LTE 和 Wi-Fi 的典型電源解決方案。

分立式高功率供電解決方案

隨著USB C和USB PD的趨勢，一些設(shè)計可能會實現(xiàn)下游USB C端口，并提供USB PD功能，以便為圖3所示的外設(shè)快速方便地充電。

圖3.典型的電源解決方案，帶有支持 USB PD、揚(yáng)聲器、LTE 和 Wi-Fi 的 USB C 端口。

在設(shè)計中（圖3），為了適應(yīng)USB PD動態(tài)電壓變化，需要一個帶DVS的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。這會將USB端口發(fā)電與先前獨(dú)立生成的中間總線分開。由于降壓-升壓的輸出不是固定的，因此將分立式或低積分降壓-升壓解決方案與專用的降壓-升壓控制器一起使用。這種方法提供并滿足USB C PD的要求，但是由于集成度低，它將占用大量的PCB空間。圖4顯示了需要63mm有效PCB面積的低集成度降壓-升壓設(shè)置2，不考慮其他外部組件，這使得解決方案尺寸更大。

圖4.低集成度降壓-升壓電源解決方案PCB尺寸（63mm2活動區(qū)域）

集成式大功率供電解決方案

圖5所示為高度集成的解決方案，其中控制器、驅(qū)動器和MOSFET集成在單個IC MAX77831上。MAX77831將典型的兩級（升壓后降壓）設(shè)計轉(zhuǎn)換為單級轉(zhuǎn)換，提供高效率，支持5V揚(yáng)聲器、3.6V LTE和Wi-Fi。對于5V輸出，MAX77831可提供92.8%的效率，比83.7%的兩級效率高9%。通過我2C通信時，MAX77831可提供高達(dá)18W的動態(tài)降壓-升壓輸出，以支持下游USB C端口的USB PD功能。如前所述，18W 足以為包括智能手機(jī)在內(nèi)的絕大多數(shù)外圍設(shè)備快速充電。

圖5.高度集成的電源解決方案，具有支持 18W USB PD、揚(yáng)聲器、LTE 和 Wi-Fi 的 USB 端口。

圖 6 顯示了新的 PCB 尺寸。在這種情況下，有效面積減少到21.9mm2，節(jié)省61%！該解決方案還將外部元件數(shù)量減少了50%，從而進(jìn)一步減小了解決方案的尺寸和成本。

圖6.高度集成的電源解決方案PCB尺寸（21.9mm2活動區(qū)域）。

集成降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

圖7所示的MAX77831單芯片降壓-升壓轉(zhuǎn)換器為高效率、高性能穩(wěn)壓器，適用于需要寬輸入電壓范圍（2.5V至16V）的系統(tǒng)。它允許系統(tǒng)通過I動態(tài)改變輸出電壓和負(fù)載電流容量2C 接口。它支持標(biāo)準(zhǔn)的 5V USB VBUS 要求以及 9V 一直到 15V，總連續(xù)功率為 18W。

圖7.高度集成的電源解決方案應(yīng)用示意圖。

板載低RDSON N溝道MOSFET晶體管的集成確保了卓越的效率。在圖8中，與競爭對手的解決方案相比，該IC在大多數(shù)工作范圍內(nèi)顯示出效率優(yōu)勢，在滿載時具有整整3分的優(yōu)勢。此外，該 IC 能夠以更高的輸出功率和更高的效率超越競爭對手，真正優(yōu)化任何給定設(shè)計的功率密度。

圖8.功率和效率競爭優(yōu)勢。

降壓-升壓操作平穩(wěn)，從一種模式到另一種模式幾乎無縫過渡。圖9顯示了小的升壓-降壓轉(zhuǎn)換過沖（+110mV）和降壓-升壓下沖（-100mV）。

圖9.平穩(wěn)的降壓-升壓轉(zhuǎn)換。

結(jié)論

連接設(shè)備繼續(xù)激增到各個細(xì)分市場，許多設(shè)備由帶有備用電池的適配器供電，以在停電期間保持系統(tǒng)運(yùn)行。該設(shè)計方案回顧了典型的兩級電源轉(zhuǎn)換、PCB空間大以及由于集成度低而導(dǎo)致成本高的缺點(diǎn)。隨后，它表明MAX77831單芯片降壓-升壓轉(zhuǎn)換器是應(yīng)對12V至2.7V（備用電池）如此寬輸入電壓范圍的最佳電源方案，優(yōu)化了系統(tǒng)效率，從而延長電池壽命，減小PCB尺寸，降低BOM成本。

審核編輯：郭婷