可利于電池系統(tǒng)優(yōu)化的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器介紹

許多安全和運動檢測系統(tǒng)依賴于簡單易用的小型半自治節(jié)點。這意味著使用基于電池的電源和低功率操作，以便在產(chǎn)品的使用壽命期間最小化電池更換次數(shù)。

在電池壽命期間，電池的輸出電壓下降，當電荷接近完全耗盡時，電池的輸出電壓下降幅度最大?？梢赃m應這種電壓變化但仍可為傳感器和RF發(fā)射器提供相對較高電壓的轉(zhuǎn)換器類型是降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器 - 它在電池剛剛運行時操作電路的降壓部分，在電壓升高時移動到升壓操作低于其供電的電子電路的閾值。許多供應商已經(jīng)開發(fā)出針對電池系統(tǒng)優(yōu)化的集成降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器，本文討論了其中的一些，包括來自ams，ADI公司，凌力爾特公司，安森美半導體和德州儀器的器件。

運動檢測已經(jīng)成為現(xiàn)代安全系統(tǒng)中不可或缺的一部分，在家庭或辦公室應該是空的時候觀察入侵者的跡象。隨著時間的推移，我們將看到將運動檢測擴展到日常生活中的新應用，允許我們通過使用手勢來控制照明和媒體設備。在家中傳播的設備將觀察這些關(guān)鍵手勢，使用先進的信號和圖像處理技術(shù)來區(qū)分對系統(tǒng)重要的自然動作和手勢。

這些系統(tǒng)之間的一個重要聯(lián)系是需要分布式低能耗傳感器，這些傳感器可以從電池運行，以避免重新連接家庭以安裝新系統(tǒng)。它們使用低功率無線電協(xié)議相互通信并與中央處理節(jié)點通信，并使用各種形式的傳感技術(shù)（如超聲波或低分辨率視頻）來分析人的運動。

某些類型的傳感器需要高電壓才能運行，這些電壓不能從電池單元本身產(chǎn)生，或者可能需要背光LED或內(nèi)置狀態(tài)顯示器，這需要高壓電源才能運行。升壓或升壓穩(wěn)壓器的一個選擇是安森美半導體NCP1403。該器件設計用于將單個鋰離子電池或兩個AA或AAA電池升壓至高達15 V的電壓。

在使用低壓傳感器的系統(tǒng)中，仍然需要具有升壓功能可用。簡單的低功耗操作不足以延長電池的使用壽命。典型電池的放電曲線意味著它僅在完全充電時或附近輸出其峰值電壓。當電池放電時，其輸出電壓將下降，可能低于系統(tǒng)設計的電源電壓。通常有一個非常大的下降接近完全耗盡。然而，如果周圍的電路可以使用它，電池仍然具有它可以提供的能量。實際上，電池很少在需要更換之前清空 - 它根本無法提供可用的能量。例如，當輸出電壓低于0.9 V時，1.5 V AA堿性電池通常被視為“空”。

圖1：典型NiMH AA電池的放電曲線。

在實踐中，電池通常組合使用以提高其電壓輸出，使得在電池的總能量的很大一部分上操作典型的微控制器和RF電路變得更容易。相反，對于完全充電的電池組，電壓通常對于傳感器節(jié)點的電路來說太高。因此，大多數(shù)設計使用某種形式的降壓穩(wěn)壓器來控制系統(tǒng)其余部分的電源電壓，并適應電池的下降輸出。由于輸入電壓需要高于降壓穩(wěn)壓器的輸出電壓，因此無法從電池組獲得足夠的電壓，即使能量可用，系統(tǒng)也會關(guān)閉。為了充分利用這種存儲的能量，可以切換到升壓調(diào)節(jié)器以提供必要的輸出電壓。升壓調(diào)節(jié)器的效率最有可能低于降壓調(diào)節(jié)器的效率，但它為系統(tǒng)提供了額外的壽命。此時傳感器可以向用戶報告接近更換電池的時間。

通過將降壓和升壓調(diào)節(jié)器的功能集成到一個控制單元中，供應商滿足了對更靈活的電池供電系統(tǒng)的需求，根據(jù)電池組的狀態(tài)自動從一種模式切換到另一種模式。在這些設計中，通常存在兩個脈沖寬度調(diào)制（PWM）環(huán)路。每個的占空比由單獨的斜坡信號控制。比較器用于分析誤差放大器的輸出信號，以確定何時應該切換開關(guān)以創(chuàng)建PWM波形的下一個相位。

圖2：典型的降壓 - 升壓架構(gòu)。

ams AS1337設計采用降壓或升壓模式下的兩節(jié)AA堿性電池供電，在200 mA時提供3.3 V的恒定電壓。它是一種采用電流模式PWM控制的固定頻率設計，可實現(xiàn)良好的線路和負載調(diào)節(jié)。與同類產(chǎn)品中的其他組件一樣，穩(wěn)壓器還支持省電模式，其中PWM活動暫時中止?？蛇x電容可用于降低輸出電壓紋波。

在傳統(tǒng)降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器設計中，當輸入電壓接近接近輸出電壓的范圍時，工作模式將從降壓轉(zhuǎn)換為升壓。然而，當模式切換時可能存在不連續(xù)性，這可能導致PWM信號暫停并產(chǎn)生低頻噪聲。一種解決方案是在重疊區(qū)域中以兩種模式操作轉(zhuǎn)換器。凌力爾特公司的LTC3530是一款集成降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器，采用開關(guān)算法在降壓和升壓模式之間移動，可在1.8 V至5.5 V的輸入電壓范圍內(nèi)工作。該設計適用于使用兩節(jié)AA電池或單節(jié)鋰離子或鋰聚合物光源的系統(tǒng)，并在輸入和輸出電壓接近的情況下使用傳統(tǒng)的降壓 - 升壓模式。在此模式下，所有四個內(nèi)部開關(guān) - 兩個來自降壓，兩個來自升壓部分 - 將運行。

LTC3530的開關(guān)頻率可以使用外部電阻進行編程，因此可以針對目標應用的空間和效率要求優(yōu)化轉(zhuǎn)換器。設備的省電模式以當前級別輸入，可由用戶編程以提高輕載效率。

圖3：降壓，降壓 - 升壓和升壓模式以及它們?nèi)绾卧诘湫偷乃拈_關(guān)降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器的放電曲線的不同點切換。

ADI公司的ADP2503電壓范圍為2.3 V至5.5 V，可與單節(jié)鋰電池或多節(jié)AA或AAA電池配合使用。該設計提供組合降壓 - 升壓模式，適用于輸入和輸出電壓靠近的情況，以提供良好的調(diào)節(jié)并在輸出級保持最小的電流紋波。

通過外部同步信號，只要在2.1 MHz至2.9 MHz范圍內(nèi)切換，調(diào)節(jié)器將滑動到所應用的頻率。在沒有外部頻率源的情況下，器件可以進入省電模式，暫時禁用PWM控制以避免開關(guān)損耗。當負載電流超過150 mA時，器件退出省電模式并恢復正常工作。該電流水平設置在省電閾值以上，以提供滯后水平并避免兩種模式之間的振蕩。

四開關(guān)操作的一個潛在問題是效率降低，這在電池供電系統(tǒng)中是不希望的。效率的下降是由于操作四個開關(guān) - 并且遭受其總開關(guān)損耗 - 而不是分別專用于降壓和升壓模式的兩個開關(guān)。潛在地，因為電池的電壓/放電曲線在其大部分范圍內(nèi)非常平坦，所以重疊區(qū)域可以在很長時間內(nèi)使用。結(jié)果是縮短了電池壽命，而不是通過對共享降壓 - 升壓模式進行更智能控制。

試圖解決這些問題的集成降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器的一個例子是德州儀器公司的TPS63020。該轉(zhuǎn)換器專為采用兩節(jié)或三節(jié)堿性電池，NiCd和NiMH電池系統(tǒng)或單節(jié)鋰離子或鋰聚合物系統(tǒng)供電的系統(tǒng)而設計，可提供高達3 A的電流，以應對峰值功率輸出 - 例如當探測器正在讀取數(shù)據(jù)并傳輸數(shù)據(jù)時 - 并且可以使用低至2.5 V及以下的輸出電壓。

TPS63020在降壓和升壓模式之間自動切換，帶有一個有源開關(guān)和一個整流開關(guān)。一個開關(guān)永久接通，其余開關(guān)在任一模式下永久關(guān)閉，從而降低了整體開關(guān)損耗。沒有所有開關(guān)在超過一個時鐘周期內(nèi)有效的狀態(tài)。在該裝置中，如果調(diào)節(jié)器確定所有開關(guān)應在單個時鐘周期內(nèi)變?yōu)橛行В瑒t斜坡彼此遠離。然而，如果斜坡彼此移動得太遠以至于沒有切換活動，則它們被移動得更靠近在一起，從而可以恢復正常的PWM操作。這種行為導致傳統(tǒng)共享降壓 - 升壓循環(huán)的大幅減少。

控制器電路采用平均電流模式拓撲結(jié)構(gòu)，不斷監(jiān)測輸入和輸出電壓的變化。電壓的變化被饋送到調(diào)制器以改變占空比以實現(xiàn)快速響應。為實現(xiàn)最高效率，轉(zhuǎn)換器使用固定頻率PWM控制器進行同步整流。該器件中有四個N溝道MOSFET，可將外部元件減少到用于儲能和輸出平滑的電感器。

在低負載電流下，與許多其他設備一樣，轉(zhuǎn)換器可以進入省電模式，暫時禁用PWM活動，通過開關(guān)損耗減少能量浪費。在省電模式期間，比較器監(jiān)視輸出電壓，以便在低于安全閾值時重新開始操作。當輸出電壓略高于標稱值時，PWM操作停止。當平均電感電流超過100 mA時，轉(zhuǎn)換器會退出省電模式。對于需要更嚴格的電壓容差的系統(tǒng)，可以完全禁用省電模式。

通過適應當今電池技術(shù)的電壓曲線，先進的降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器可以在處理新型傳感器類型方面做很多工作，并在每個電池內(nèi)汲取大部分可用的存儲能量。控制器設計的進步 - 例如降低降壓 - 升壓模式損耗的技術(shù) - 進一步提高了效率。