善用旁路模式應(yīng)對電源管理系統(tǒng)中的內(nèi)阻挑戰(zhàn) - 全文

對智能手機或平板計算機等可攜式設(shè)備而言，電池其實不是非?？煽康?a target="_blank">電源。除了有限的容量、溫度和老化等變量影響外，內(nèi)阻更是個捉摸不定，經(jīng)常變化的影響參數(shù)。在電源管理系統(tǒng)中，妥善利用旁路模式，將可有效應(yīng)對內(nèi)阻變化所帶來的挑戰(zhàn)。

對智能手機或平板計算機等可攜式設(shè)備而言，電池似乎是一個良好的穩(wěn)定電源。只需添加一個降壓 - 升壓穩(wěn)壓器，電源問題就幾乎全部解決了。若能夠有效地控制充電/放電周期，并且擁有一個良好的電量偵測子系統(tǒng)，就應(yīng)該能夠得到所需的電壓和電流。

然而，事實上電池不是非常可靠的電源。除了有限的容量、溫度和老化等變量影響外，主要的缺點是其內(nèi)阻（整合的保護開關(guān)阻抗和電池特性的綜合）可在幾十mΩ到幾百mΩ之間變化。更復(fù)雜的是，該內(nèi)部電阻還具有頻率相關(guān)性。

在典型的應(yīng)用中，電池兩端（通常是2.5V～4.35V，取決于化學(xué)物質(zhì)）連接至系統(tǒng)電源管理單元的輸入，而系統(tǒng)電源管理單元為不同子系統(tǒng)建立系統(tǒng)電源軌。目前智能手機中一些標(biāo)準(zhǔn)的電路，如高性能應(yīng)用處理器/CPU、高電流USB OTG、相機閃光燈或增強音頻，對電池電壓造成了變化差距很大的負載條件。

本文將介紹一款結(jié)合升壓穩(wěn)壓器和整合式低阻抗旁路開關(guān)的新型電源設(shè)計，除了可以提供更寬的工作電壓范圍，還能自動升壓，防止輸出跌至低于設(shè)定的目標(biāo)輸出電壓。另外，它還可以利用外部控制引腳調(diào)用旁路模式，能夠?qū)㈧o態(tài)電流降至幾微安培的范圍。

內(nèi)阻對電池續(xù)航力造成明顯影響

目前絕大多數(shù)的行動裝置都具備多核心CPU和高耗電的圖形處理單元（GPU），以及音頻放大器和大型顯示器，這些組件通常是行動裝置中最耗電的零組件。當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行資源密集型任務(wù)時，由于負載突然增大，電源管理系統(tǒng)從電池汲取的電流常會瞬間增高二或三安培。因此，電池電壓周期性下跌，系統(tǒng)電源管理單元的某些輸出會失去調(diào)節(jié)，在最差情況下，系統(tǒng)管理單元過早觸發(fā)截止電壓，導(dǎo)致掉電情況發(fā)生。

圖1顯示三個具有相同容量，但內(nèi)阻值各有不同的電池的掉電情況。當(dāng)出現(xiàn)高電流脈沖負載時，具有較高內(nèi)阻的電池續(xù)航時間較短。

圖1　 不同內(nèi)阻在脈沖負載情境下的放電曲線

旁路模式提供更高操作電壓瞬態(tài)響應(yīng)性能不可忽視

為了克服行動裝置電源管理所遇到的上述挑戰(zhàn)，并提供新的操作優(yōu)勢，支持旁路模式（Bypass Mode）的升壓穩(wěn)壓器是一種解決方案。以安森美半導(dǎo)體（On Semiconductor）的FAN48623升壓穩(wěn)壓器為例，在操作時，當(dāng)輸入電壓VIN超過目標(biāo)輸出電壓VOUT時，F(xiàn)AN48623自動切換到旁路模式，如圖2所示。在旁路模式下，電池透過非常低的阻抗直接連至輸出。

圖2　 自動旁路模式

除了自動旁路轉(zhuǎn)換之外，設(shè)計人員還可以在任何時候強制裝置進入旁路模式。在強制旁路模式下，只有2至3μA的靜態(tài)電流可用，但仍然有足夠的電池電壓可用于喚醒操作。圖3顯示了由nBYP訊號控制的升壓模式和低IQ強制旁路模式之間的轉(zhuǎn)換。

圖3　 低IQ強制旁路

強制FAN48623進入旁路模式，可實現(xiàn)全電池輸出與接近零消耗，從而能夠以極小的損耗提供最大的電源電壓。真正的負載斷開功能還意味著可以斷開「漏電負載」與電池電壓的連接。

比較一下支持旁路的升壓與使用降壓/升壓穩(wěn)壓器的傳統(tǒng)方式。在傳統(tǒng)方式下，升壓轉(zhuǎn)換會在VIN較低時限制整體效率。而使用具旁路的升壓拓撲可實現(xiàn)更高的效率（高達96%），即使當(dāng)穩(wěn)壓器與其他降壓穩(wěn)壓器或LDO串聯(lián)時，整體端到端效率也會保持很高。利用升壓加旁路方式，升壓轉(zhuǎn)換效率會比同等大小的降壓-升壓解決方案（》1A負載電流范圍）高出10%。

當(dāng)出現(xiàn)突然的負載變化時，電池和電源子系統(tǒng)會受到壓力。當(dāng)負載增加而電池和電源無法應(yīng)對時，電源系統(tǒng)將面對更艱困的挑戰(zhàn)。假設(shè)電池內(nèi)阻為200mΩ，當(dāng)施加1A負載時，由于ESR降低，電池電壓迅速由起始充電電壓4.2V降至低于4V。

現(xiàn)在來看一下使用FAN48623升壓加旁路方式的系統(tǒng)動態(tài)。由于快速升壓模式轉(zhuǎn)換，控制回路可以處理較高的VIN（dV/dt）轉(zhuǎn)換速率，如圖4所示，其中600mV線路電壓瞬間從3.0變?yōu)?.6VIN，下降沿為10μs，負載電流為500mA，輸出電壓VOUT為3.3V。

圖4　 自動旁路模式下的線路瞬態(tài)響應(yīng)

升壓和旁路工作模式之間的轉(zhuǎn)換很快：當(dāng)VIN大于目標(biāo)VOUT，并且非常密切地跟隨瞬態(tài)時，IC在5μs 內(nèi)進入旁路模式。

圖5　 PMIC內(nèi)部升壓穩(wěn)壓器的應(yīng)用示意圖

圖6　 升壓RF DC/DC的應(yīng)用示意

旁路升壓穩(wěn)壓器搞定行動裝置電源設(shè)計各種難題

支持旁路模式的升壓穩(wěn)壓器可以應(yīng)用在行動裝置電源系統(tǒng)中的許多環(huán)節(jié)，例如PMIC、RF DC/DC、D類音訊放大器等，以下將介紹幾種典型應(yīng)用案例。

PMIC內(nèi)部的電壓穩(wěn)壓器

PMIC內(nèi)的某些電壓穩(wěn)壓器（降壓和 LDO）需要極小的輸入電壓來維持正常操作。

RF DC/DC

傳統(tǒng)上，用于驅(qū)動天線的2G RF功率放大器（PA）直接連接到電池。3G RF功率放大器則使用動態(tài)可調(diào) DC/DC轉(zhuǎn)換器來提供降壓電壓Vcc。DC-DC轉(zhuǎn)換器提高可攜式通訊設(shè)備中的RF PA系統(tǒng)效率，能夠降低功耗、延長電池壽命并減少熱量。

使用FAN48623，當(dāng)電池電壓過低時，電池電壓會被升高。

D 類音訊放大器

幾乎通用于所有音頻信道的D類開關(guān)模式放大器也帶來新的挑戰(zhàn)?；叵胍幌?，可用電源與電源電壓的平方成正比，因此電源電壓即便只有微小的增加，也會導(dǎo)致明顯增大的放大器凈空距離和潛在的電源輸出。設(shè)計人員可以使用FAN48623為揚聲器驅(qū)動器供電，并獲得高效率的功率提升。FAN48623將VBATT增至較高的電壓，并提高揚聲器的音量。憑借其高電流性能，F(xiàn)AN48623能夠同時驅(qū)動兩個或更多的 D類音訊放大器。

圖7　 升壓 D 類音訊放大器的應(yīng)用示意圖

圖8　 OTG應(yīng)用示意圖

USB On The Go （OTG）

隨著智能手機、數(shù)字相機、平板計算機和其他行動設(shè)備的技術(shù)進步，不用通過計算機而能直接與這些設(shè)備互連的需求也增加了。

針對USB OTG應(yīng)用，電源系統(tǒng)需要升壓轉(zhuǎn)換器將電池電壓升高到5V電壓，從而為連接USB埠的其他便攜設(shè)備供電。采用一般的電池充電器，OTG的供電能力通常限制在200～500mA。FAN48623能夠支持兩個USB 3.0埠，可與電池充電器共享相同的電感器，這有助于降低BOM和整體成本。當(dāng)電池處于充電模式時，F(xiàn)AN48623完全關(guān)閉，電池充電器通過USB電源運行。

在沒有電池，直接從USB埠供電的情況下，F(xiàn)AN48623的強制旁路模式操作還有利于促進生產(chǎn)測試模式（PTM）。

旁路模式克服行動裝置電源設(shè)計挑戰(zhàn)

支持旁路模式的升壓穩(wěn)壓器非常適合當(dāng)今高耗電、變化范圍大的負載。以FAN48623為例，該組件可接受2.5V ～5.5V輸入電壓，固定輸出電壓則為3V～5V。VIN為2.5V且VOUT為3.3V時，最大連續(xù)負載電流為2.5A。可用的最大輸出電流取決于VIN/VOUT比率。每個選項都支持兩個工廠程序設(shè)計的輸出電壓，可通過VSEL引腳選擇。該裝置可以設(shè)置為強制旁路狀態(tài)，從而減少不需要升壓運行時的靜態(tài)電流。