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電池壽命與降壓轉換模式的好處
 

【作者: John Constantopoulos】   2006年09月22日 星期五

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可攜式裝置市場的持續成長,為電池帶來新一代的需求課題,其中對電池應用的主要選擇條件包括效率、續航力與成本。如何有效延長電池壽命,即是當前可攜式裝置的設計重點;可攜式裝置的電池續航力越久,在消費市場上便更具銷售競爭力。


可攜式音訊播放器、PDA、行動電話、數位相機和許多其它產品都需要電池,包括兩顆鹼性電池、鎳鎘電池或鎳氫電池等等。大部分可攜式裝置的電池應用以兩顆鹼性電池串接供電為主,也需固定的3.0V內部供應電壓。鹼性電池的問題在於:每顆電池的額定電壓雖為1.5V,但實際輸出電壓卻可能達到1.6V,因而使得兩顆電池串接的總電壓成為3.2V。這便表示:當輸入電壓高於所需的3.0V內部輸出電壓時,電源管理零組件便要能提供降壓轉換功能;在輸入電壓低於所需的3.0V輸出電壓時,也必須提供升壓轉換功能。電源管理所提供的升降壓轉換功能持續運作,直到電池電壓升降至轉換器操作所需的適當輸入電壓為止。


升壓/降壓轉換架構可分為以下幾種:單端初級電感轉換(ste p-up/step-down conversion;SEPIC)、內建LDO的升壓轉換器、以及提供降壓轉換模式的升壓轉換器。工程師將以同樣條件分析這些架構:每種轉換器都使用兩顆3號鹼性電池,並且維持固定的3.0V輸出電壓。藉此工程師將測量電池在無負載和15Ω((200mA) 電阻性負載下的壽命,並分析元件在電池放電時的工作效率。


SEPIC升壓轉換

SEPIC轉換器會在輸入電壓高於輸出電壓時提供降壓轉換。等到輸入電壓等於或低於輸出電壓後,SEPIC便會提供升壓轉換,直到電池電壓低於轉換器允許的最低輸入電壓為止。SEPIC的主要缺點在於,它需要一個耦合電感(變壓器)或兩個獨立電感,並結合一個耦合電容。電感和線圈的體積較大,會佔用很多電路板面積,無法成為特重節省空間和電路板面積的行動裝置應用的最佳首選。如(圖一)所示。



《圖一 SEPIC轉換器示意圖》
《圖一 SEPIC轉換器示意圖》

(圖二)是顯示SEPIC轉換器的電池壽命特性曲線。從中可看出總壽命時間約為260分鐘,其中包括元件1.8V最小輸入電壓規格所造成的限制。



《圖二 SEPIC轉換器使用兩顆串接電池時的總電池壽命》
《圖二 SEPIC轉換器使用兩顆串接電池時的總電池壽命》

SEPIC轉換器的效率通常不如降壓或升壓轉換器。當輸入電壓低於輸出電壓時,整個穩壓器的效率是由升壓穩壓器的效率決定。


內建LDO的升壓轉換器

另一種常被忽略的解決方式是:利用升壓轉換器提供電源給低壓降穩壓器(LDO)。升壓轉換器的輸出電壓在整個電池壽命範圍內,都會大於LDO的輸出電壓與額定電壓降之和(這顆元件為0.3V),相關說明請參閱(圖三)和(圖四)。


《圖三 LDO方塊圖》
《圖三 LDO方塊圖》
《圖四 內建LDO的升壓轉換器》
《圖四 內建LDO的升壓轉換器》

LDO穩壓器的耗電,會使元件的總效率低於普通的升壓轉換器。LDO的效率,在整個電池壽命範圍內都會保持固定,意味著LDO低效率所導致的耗電,必然會對元件的總效率造成影響。雖然負責供電給LDO的升壓轉換器,可以提供較高的效率,元件的總效率仍會等於LDO和升壓轉換器的效率乘積,也就是84%左右。(圖五)所示便是使用這顆元件所得到的電池總壽命曲線示意圖。



《圖五 LDO的電池總壽命曲線示意圖》
《圖五 LDO的電池總壽命曲線示意圖》

提供降壓轉換模式的升壓轉換器

降壓轉換模式可讓設計人員不必增加額外零件,就能針對「超過預期輸出電壓」的輸入電壓進行穩壓調整。在此模式下,控制電路會改變整流PMOS的運作。控制電路設定PMOS兩端的電壓降,使其高到足以對輸出電壓進行穩壓。提供降壓轉換模式的主要優點,是它不再需要額外的零件(例如SEPIC)或由LDO執行降壓轉換,進而減少元件的接腳。



《圖六 提供降壓轉換模式的升壓轉換器》
《圖六 提供降壓轉換模式的升壓轉換器》

這種可提供降壓轉換模式的升壓轉換器的另一優點是,電池電壓若在操作時降到0.8V左右,元件就會自動進入關機模式,此電壓過低鎖定功能,可以避免轉換器工作不正常。相較之下,SEPIC轉換器在電池電壓降至1.8V時就無法繼續工作。



《圖七 利用降壓轉換模式延長電池壽命示意圖》
《圖七 利用降壓轉換模式延長電池壽命示意圖》

一般而言,元件在降壓轉換模式的效率,並不會高於上述的其它元件。從(圖八)可以看出,元件在進入降壓轉換模式的前12~15分鐘裡,其效率約為70%,其餘正常操作模式的效率則在93%~95%之間。在有限的電池壽命中,元件大約只有3%的時間,處於降壓轉換模式,表示電池在整個壽命期間的總效率會高於90%。



《圖八 轉換器在降壓模式和正常升壓模式的效率示意圖》
《圖八 轉換器在降壓模式和正常升壓模式的效率示意圖》

結論

消費市場持續擴大,可攜式應用亦需要更長的電池壽命,因此相關零組件製造商均不斷尋找最佳化的轉換器,以便為各種電池應用提供更能縮小面積、節省成本和降低耗電的解決方案,上述元件都是目前用來滿足不同應用的特定需求、由工程師們所構思設計出來的可行要點,謹提供相關業界研發設計人員作為參考依據。(作者任職於TI德州儀器)


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