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开关电容转换器简化从 1S 到 2S 电池架构的迁移

关键词:开关电容转换器

时间:2024-06-21 09:45:43      来源:网络

耗电量大的便携式电子设备正在推动电池容量的不断上升。例如,移动销售点 (POS) 设备内置有集成热敏打印机,这会增加耗电量,并且可能需要更高容量的电池。

耗电量大的便携式电子设备正在推动电池容量的不断上升。例如,移动销售点 (POS) 设备内置有集成热敏打印机,这会增加耗电量,并且可能需要更高容量的电池。

通过使用更多电池(串联或并联)可获得更高的电池容量。例如,要使容量翻倍,简单的方法是从单电池(1S1P,即 1S)移动到并联的两个电池(1S2P,即 2P)。该解决方案使输出功率翻倍,并保持下游电子设备的额定电压,同时增加从电池中吸取的电流。但是,问题出现在给电池充电时,因为标准 USB-C 电缆的额定电流为 3A。给 2P 电池充电需要两倍的电流,这可能会超过 3A 的限制。或者,充电速率可能会减半,导致充电时间加倍。

USB Type-C 标准支持 15W、5V、3A 或 25W、5V、5A,并配有特殊的电子标记电缆。但专用电缆和更高功率的适配器既昂贵又不常见,因此应用程序支持标准 3A 电缆额定值非常重要。

满足这一限制并增加输出功率的一种方法是使用两个串联的 Li+ 电池 2S1P,即 2S,而不是并联。两个串联电池可以使用与单电池场景相同的电流进行充电,并提供两倍的容量。现在的问题是您的低压充电和调节电子设备变得不兼容,您必须购买更高电压的设备才能将 2S 电池连接到您的系统。这种选择可能会导致高压设备的可用性问题,并带来库存问题以及不同电压额定值的充电和控制设备的采购问题。由于数量分散在不同设备上,它还会导致购买力下降。

或者,可以使用 2:1 降压转换器(图 2)将 2S 电池电压减半,并将其应用于下游低压电子设备。这样,降压转换器可以为现有的 1S 电路供电,同时允许使用 2S 电池。


图 2:带 2:1 降压转换器的 2S 低电流电池管理系统

在本设计解决方案中,我们建议使用 2:1 开关电容转换器 (SCC) 作为降压转换器。该 IC 通过将 2S 电池电压转换为 1S 等效输出,简化了向更高电池电压的迁移,并允许设计人员保留现有的下游 1S 电源架构。

为什么选择SCC?

对于降压转换器,首先想到的是基于电感的降压转换器。然而,在我们这种输入电压与输出电压之比为整数 (2) 的情况下,SCC 表现出更高的效率。与电感降压转换器相比,SCC 还具有较低的开关损耗。在降压转换器中,每个开关都会阻断整个输入电压并支持整个输出电流。在 2:1 SCC 中,开关仅阻断一半的输入电压,从而降低开关损耗。,SCC 受益于电容器比电感器具有更高的能量密度,从而减少了 PCB 面积。上述所有因素使 SCC 成为此应用中的理想解决方案。

SCC操作

图 3 示出了两相 SCC 架构。在个周期中,FET S1 和 S2 导通,CFLY1 充电,同时为负载供电。同时,FET S7 和 S8 导通,CFLY2 放电,为负载供电。

2 阶段 SCC 架构的运行


图 3:2 相 SCC 架构的运行


图 4:2 相 SCC 架构的 SCC 波形

图 4 显示了与上面所示的个循环相对应的 SCC 波形。

下一个周期与前一个周期完全对称:S1 和 S2 关闭,S3 和 S4 打开,CFLY1 为负载供电。同时,S7 和 S8 关闭,S5 和 S6 打开。CFLY2 充电,同时也为负载供电。两相操作减少了输出电容上的纹波。

开关电容转换器

例如,MAX77932 是一款集成电源开关的两相开关电容转换器,可提供 8A 输出电流并将输入电压除以二(见图 5)。该 IC 适用于使用 2S Li+ 电池的应用,同时为以 1S 等效电压工作的电路供电。它还适用于从 1S 迁移到 2S 电池配置的应用,并允许设计人员保留现有的下游 1S 电源架构。

高效率

图 6 所示的 SCC 效率在 0.5MHz 开关频率下超过 98%。如此高的效率有助于减少热损失,并有助于将应用温度保持在不适的“皮肤温度”水平以下。


图 5:SCC 框图

凭借如此高的效率,由一个 SCC 和一个低压 (LV) 降压转换器(图 2 中的 LV DC-DC)组成的两级解决方案将胜过单级高压 (HV) 降压转换器。与 HV 降压转换器相比,LV 降压转换器的开关损耗更低,占空比更高。表 1 显示了两级解决方案的优势。为了说明 2% 效率优势的效果,我们以 12V、3A、36W 充电器为例,这是 USB-C PD 应用中使用的常见功率水平。图 6:2:1 SCC 高效率

SCC 解决方案效率更高,散热量降低了约 0.7W。在这种情况下,结到环境热阻为 35°C/W 的 IC 无需任何热管理材料即可在低 25°C 的温度下运行。这种改进的热性能使将设备“表面温度”保持在可接受范围内变得更加容易。


图 7:轻载时 2:1 SCC 高效率

该 IC 在低电流下也具有出色的效率。图 7 显示,电流在 1mA 至 10mA 范围内时,效率超过 92%。由于便携式设备长时间处于待机状态,此功能可显著延长电池寿命。

该 IC 采用微型无铅 0.4mm 间距、2.4mm x 2.8mm 42 引脚晶圆级封装 (WLP)。小型芯片和小型无源元件的组合使 PCB 占用空间净面积仅为 14.6 mm?。图 8 中的比较显示,与竞争对手的类似解决方案相比,占用空间优势为 27%。


图 8:27% 的占位净尺寸优势

频率抖动

DC-DC 转换器的开关噪声会产生电磁干扰 (EMI),其主要频率峰值会干扰无线电信号或附近其他电子设备的运行。SCC 提供可编程频率抖动模式来缓解 EMI。抖动可降低主要峰值并将噪声分散到较宽的频带上,使设备更容易符合频率发射标准。

结论

便携式设备(例如带有热敏打印机的移动销售点系统)的功率需求不断增加,这推高了电池容量。虽然从 1S 配置转换为 2S 配置可以实现更快的充电,但它似乎需要更高电压的下游设备。通过使用 2:1 降压转换器将 2S 电池连接到系统,可以保留 1S 下游电路。我们表明,对于这种配置,开关电容转换器 (SCC) 可实现的整体系统效率,通过频率抖动降低 EMI,并且适合保留现有的 1S 下游电源架构。

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