如何为便携式设备设计电源转换效率

作者：Jim Harrison

谁需要插电从智能手机到音乐播放器，再到健康和健身可穿戴设备，便携式、电池供电的设备无处不在。相机、平板电脑、耳机、助听器、智能手表、健身监视器、手动工具和仪表以及 GPS 追踪器都需要巧妙的电源计划。每天都有更多设备加入此类别。

当工程师为电池供电的移动或可穿戴应用进行设计时，电源转换方法始终是首要考虑因素。在某处查找任何这些设备的评论，您将看到主要讨论的电池寿命和充电时间。消费者需要较长的充电间隔时间。

对于您正在设计的任何便携式设备，其电源转换器的尺寸、重量和效率都是需要优化的重要因素。幸运的是，有一些很棒的电源转换技术可以帮助您。

电池驱动电源转换选择

开始设计时的第一个决定是电池。可更换的原电池还是可充电电池？或者，一种不可更换的电池，持续时间如此之长，以至于用户丢弃了整个产品并购买了一个新电池？

电池类型和电压将决定您的许多电源转换决策。较常见的电池类型是碱性电池、镍金属氢化物 （Ni-MH）、锂离子（Li-ion） 和锂离子聚合物 （LiPo、LIP、Li-poly）。随着成本的下降，各种锂类型最近开始占据主导地位。标称电池电压可以为 1.25V 至 3.7V，具体取决于您的选择。这种选择很可能与能量密度、成本和循环寿命（充放电循环次数）有关。

我们应该补充一点，通过太阳能电池、热电或振动收集能量可能是低功耗便携式设计的一种选择。对于几乎所有应用，您仍然需要一个小型可充电电池——但是，在某些情况下，一个大电容器可能会起作用。

小巧轻便当然是这款游戏的名称。并且通常需要具有极低静态电流的转换器来有效地处理非活动期。大变压器和电感器在这里是行不通的。我们需要对小型磁体使用高频转换。我们需要效率，效率，效率。

支持单电源

如果您的应用可以使用高于电池电压的单电源工作，那么升压转换器是最简单的方法。诸如谐振模式调节器之类的拓扑是可用的，但它们的控制电路对于小型系统来说消耗过多的功率。为超过 8A 的设计保留这些。具有同步整流的半桥反激升压转换器是一个很好的选择，但稍微复杂一些。有许多升压开关稳压器 IC 将所有这些复杂性都包含在内。寻找一种静态电源电流降低约 500nA、在 100µA 至 100mA 的输出范围内效率优于 90%、启动电压低于 1V 的芯片。一些将在低于 0.40V 时工作，一旦它们以 》1V 启动。

这种类型的转换器芯片可以采用微型 2mm x 2mm 6 引脚 μDFN 或 0.88mm x 1.4mm WLP 封装。250KHz 或更高的开关频率意味着所需的少数外部元件将很小。寻找固定频率，或者更好的是固定抖动频率，以减少电磁干扰（EMI）。由于芯片功率限制较小，最大输出电流会随输入电压变化很大，因此请务必检查安全工作范围以及电感电流和额定值。

降压-升压拓扑是您的答案吗？

升降压控制器解决了电池电压问题。标准升降压开关电路通常会产生负（反相）输出电压。单端初级电感转换器 （SEPIC） 拓扑提供同相输出，但需要两个电感器（参见图 2）。这些电感器可以制成耦合电感器，从而减少它们的占位面积和成本。如果我们以 1MHz 或 2MHz 运行，它们不是很大。然而，串联电容器必须是非极化的，因此，它会很大以处理所需的电流。

图 2. SEPIC 转换器的基本框图。

由于串联电容器阻挡直流电，通过它的平均电流为零，使第二个电感器成为直流负载电流的唯一来源。通过该电感的平均电流与平均负载电流相同，并且与输入电压无关。

有类似的拓扑降压/升压转换器使用四开关 H 桥配置并且只有一个电感器。由于四个开关都在一个微型 WLP 封装内，所以没关系。这些器件必须具有 N 和 P 沟道 FET 以及内部升压电源才能运行它们。它们通常工作在 2.5MHz 左右。您可以在 1mA 至 1A 的输出负载电流范围内寻找 2.3V 至 5.5V 的输入电压范围和超过 90% 的效率。在我见过的设备中，单路输出电压通常限制在 2.5V 到 4.2V 左右。跳跃模式开关可在低输出电流下实现高效率。

图 3. 四开关 H 桥配置降压-升压转换器需要很少的外部元件，并使用串行 I 2 C 设置和监控接口。这些IC，如MAX77801，采用小封装。

需要多个电源轨

大多数便携式设备都很智能。它们配备了某种类型的微控制器和一些传感器——包括温度、加速度、方向、生物电势和陀螺仪。他们可能使用蓝牙无线。很可能有一个发光的液晶触摸屏。

这意味着您肯定需要多个电源电压。您可能梦想让一切都在 1.8V 上运行，但您最终可能会得到至少三个电源轨。幸运的是，有许多具有多输出的电源 IC 以多通道集成电源管理 IC 的形式非常适合此应用。

单电感器、多输出 （SIMO） 降压-升压稳压器 IC 通常提供三个或四个独立可编程电源轨输出，以及一个 150mA 低压差（LDO） 线性稳压器，具有高纹波抑制功能，适用于音频和其他噪声敏感应用。这种类型的 PMIC 可能具有用于配置和状态检查的 I 2 C 接口。它们通常需要很少的外部组件，并且可能包括电池充电器和电池温度监视器以确保安全。有些还具有用于 LED 的电流吸收驱动器输出。有些专门针对运行 LCD 显示器。

这些 IC 中的大多数只需要 μAs 的工作电流。它们的三个或四个降压-升压输出分别提供 25mA 至 100mA 的输出电流，具体取决于输入电压。而且它们通常占用一个小的 6x5 WLP 封装（图 4）。

图 4. 具有三个输出的 SIMO 转换器方案。

SIMO 架构基本上共享一个电感器。SIMO 有一些取舍。因为单个电感器本质上是为交替输出提供能量桶，所以输出电压纹波会有些高。可能需要多一点过滤。电压精度不会是单个稳压器所能提供的。这些芯片的输出电压通常在 0.8V 和 5.25V 之间，精度为 ±2.5%。

SIMO 电源管理 IC 的其他示例具有三个降压稳压器、三个或四个 LDO 线性稳压器和一个降压-升压稳压器，可在一个芯片中提供多达七个稳压电压。这些 IC 在单个芯片中提供了人们所需的一切，并包括一个 5mA 至 500mA 的电池充电电路。

为便携式和可穿戴设备进行设计并非易事。保持高效率、低占地面积和低价格是很困难的。但是，最新的转换 IC 可以帮助简化设计过程，同时使您能够满足性能目标。