开关电容转换器简化从 1S 到 2S 电池架构的迁移

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。