По мере того как мобильные телефоны, смартфоны, цифровые камеры и медиапроигрыватели обретают новые функции, растет и потребность в вычислительных ресурсах, что влечет за собой применение процессоров с большим потреблением или даже нескольких процессоров в одном устройстве. Это увеличивает требования как к самим батареям, так и к узлам вторичного преобразования электрической энергии в устройстве. Какие же решения позволяют обеспечить питание портативных устройств и полнее использовать энергию батареи?
Обычно в портативных устройствах используют литий-ионные батареи. Вероятно, новые типы батарей будут иметь более широкий диапазон питающих напряжений — то есть большее начальное и меньшее конечное напряжение. Значительную часть энергии потребляют также вспомогательные схемы. Это дополнительно повышает требования к преобразователям напряжения.
Для повышения КПД преобразования энергии линейные стабилизаторы все чаще приходится заменять импульсными. Расширение диапазона рабочих напряжений батареи также требует применения импульсных преобразователей различной топологии. Обычно требования высокого КПД предъявляются к понижающим преобразователям, однако последнее время все чаще применяются преобразователи, способные как понижать, так и повышать напряжение питания (buck-boost-преобразователи).
Традиционные buck-boost-преобразователи строятся по топологиям SEPIC, Flyback (обратноходовые) и ZETA. Так же, как и в обычных понижающих или повышающих преобразователях, в этих топологиях предусмотрен один активный и один пассивный ключ. Возможность как понижать, так и повышать напряжение достигается применением дополнительной индуктивности в преобразователях типа SEPIC и ZETA, или применением трансформатора в топологии Flyback (см. рис. 1).
В ряде случаев в качестве buck-boost-преобразователя может выступать инвертирующий преобразователь. В таких случаях может применяться как простейшая топология, так и более сложная, известная как Cuk (см. рис. 2).
Кроме того, возможно последовательное соединение повышающего и понижающего преобразователя, когда используется дополнительная промежуточная шина питания. И наконец, повышать и понижать напряжение питания могут полномостовые (H-bridge) преобразователи с двумя синхронно управляемыми активными ключами (см. рис. 3).
Применение дополнительных пассивных компонентов повышает цену устройства и значительно увеличивает его размеры, что нежелательно или даже недопустимо для портативных устройств.
Перечисленные топологии преобразователей имеют одну общую черту: импульсный ток значительно увеличивается в режиме buck-boost-преобразования. Увеличение действующего среднеквадратичного тока как в ключе, так и в пассивных компонентах приводит к росту потерь, что, в конечном счете, снижает эффективность преобразователя. Для сохранения эффективности на приемлемом уровне приходиться увеличивать размеры ключа и пассивных компонентов.
Анализируя кривые эффективности стандартных понижающих и повышающих преобразователей, мы можем видеть, что наибольшие значения КПД достигаются, когда входное и выходное напряжения близки или равны.
В качестве примера на рисунке 4 приведены типичные кривые КПД повышающего и понижающего преобразователей. При этих условиях минимальны также пульсации тока в индуктивности и ключах.
Можно сделать вывод, что наилучшей для buck-boost-преобразователя была бы двухступенчатая топология. Возвращаясь к описанным выше топологиям, мы видим, что такой преобразователь может быть построен с использованием только одной индуктивности и набора ключей для повышающей и понижающей ступени. При этом для повышения КПД и снижения нагрузки на пассивные компоненты необходимо в каждом из режимов использовать только свою ступень; вторая должна быть отключена. Это достигается использованием 100%-ной скважности для понижающей ступени в то время, когда используется повышающая, и нулевой скважности повышающей ступени, когда активна понижающая.
Таким образом, небольшим усложнением схемы управления можно добиться работы преобразователя с максимальным КПД. Кривая эффективности для такого преобразователя представляет собой совокупность ранее приведенных кривых. Максимум КПД будет располагаться в точке, где входное и выходное напряжения равны или близки друг к другу, поэтому следует стремиться к тому, чтобы преобразователь большую часть времени работал именно вблизи такого режима. Кроме того, подобная схема управления минимизирует пульсации тока в индуктивности. Это позволяет уменьшить номинальную индуктивность и максимальный допустимый ток через нее и, как следствие, геометрический размер примененной индуктивности.
Пример воплощения описанной выше концепции представляет собой микросхема TPS63000. На рисунке 5 приведена полная схема buck-boost-преобразователя, построенного на основе этой микросхемы. Такая микросхема способна отдавать ток до 800 мА в повышающем режиме или до 1200 мА — в понижающем. При этом она требует применения всего трех внешних компонентов: двух конденсаторов размером 0603 и одной индуктивности размером 3 × 3 мм. Корпус самой микросхемы (QFN) также имеет размер 3 × 3 мм, что в целом позволяет конструировать исключительно малогабаритные преобразователи.
На рисунке 6 показана кривая эффективности данного преобразователя при выходном напряжении 3,3 В. Как сказано выше, максимальный КПД достигается при входном напряжении, близком к выходному.
На рисунках 7 и 8 приведено сравнение применения buck-boost-преобразователя и обычного понижающего преобразователя совместно с литиевым аккумулятором.
На рисунке 7 показано выходное напряжение обеих схем, а на рисунке 8 дано сравнение КПД преобразователей в течение разрядного цикла батареи. Для сравнения с buck-boost-преобразователем в данном примере был использован высокоэффективный понижающий преобразователь TPS62046. Обе микросхемы обеспечивали ток 600 мА при напряжении 3,3 В. Тест был остановлен, когда батарея разрядилась до напряжения 2,5 В в случае buck-boost-преобразователя, или когда выходное напряжение упало ниже 3,3 В в случае понижающего преобразователя.
Как видно из графиков, хотя buck-boost-преобразователь имеет меньший КПД, чем понижающий преобразователь, он позволяет дольше питать нагрузку от батареи и разряжать батарею до более низкого напряжения.
Статья переведена инженером по применению Ильей Голубевым.