鉅大LARGE | 點擊量：528次 | 2019年04月27日
高效率升壓轉換器可以延長電池使用壽命嗎？
為便攜式電子設備開發(fā)電源電路要求設計工程師通過最大程度地提高功率和降低整個系統(tǒng)的功耗來延長電池使用壽命，這推動器件本身的尺寸變得更小，從而有益于在設計終端產品時獲得更高靈活性。這種設計的最重要元器件之一是電源管理IC或DC/DC轉換器。
高效DC/DC轉換器是所有便攜式設計的基礎。許多便攜式電子應用被設計成采用單節(jié)AA或AAA電池工作，這給電源設計工程師提出了挑戰(zhàn)。從850mV～1.5V的輸入電壓產生一個恒定的3.3V系統(tǒng)輸出，要求同步升壓DC/DC轉換器能夠在固定開關頻率下工作，同時附帶片上補償電路，并且需要微型低高度電感和陶瓷電容，最好采用微型IC封裝以減少它在設備設計中的總占位面積。
一個由薄型SOTIC封裝和少量外部元器件組成的經過驗證的電路設計，實現(xiàn)了一個僅占7×9mm2板面積的效率為90%的單電池到3.3V/150mA轉換器。當在單電池輸入（1.5V）下工作時，25mA～80mA之間的負載電流可能實現(xiàn)90%以上的效率。一個外部低電流肖特基二極管（雖然并不是必需的）將在較高輸出電流下最大程度地提高效率。
這個電路設計集成了帶額定電阻值為0.35Ω（N）且典型電阻值為0.45Ω（P）的低柵電極電壓內部開關的高效DC/DC轉換器。在整個工作溫度范圍內，開關電流限制一般為850mA，從而在新的堿性AA單節(jié)電池輸入和兩節(jié)電池輸入時可分別實現(xiàn)0.66W和2.5W的輸出功率。
電流模式控制提供出色的輸入線路和輸出負載瞬態(tài)響應。斜坡補償（這是當占空比超過50%時用來防止分頻諧波不穩(wěn)定性所必需的）可以整合到轉換器中，與電路一起保持恒流限制閾值，而不管輸入電壓是多少。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
主要特性
先進電源管理IC設計的兩個特性會影響其工作效率：內部反饋機制的集成和可在工作期間節(jié)省能量的節(jié)電模式的加入。增加的內部反饋回路補償不再需要外部元器件了，從而降低了總成本，簡化了設計過程。通過僅在需要時激活電源轉換器以將輸出電壓調制保持在1%以內，節(jié)電工作模式提高了輕負載（ILOAD<3mA，典型值）時的轉換器效率。一旦輸出電壓在進行調制，轉換器會切換至睡眠狀態(tài)，從而減少柵電荷損失和靜態(tài)電流。不帶節(jié)電模式的類似IC將被強制在整個工作范圍內保持恒定的PWM，從而增加了靜態(tài)電流。雖然在一些頻率敏感的應用中恒頻PWM可能會受歡迎，但它會降低總系統(tǒng)效率。
關斷電流低于1mA，并且這個引腳上的磁滯允許對VIN進行簡單的阻性上拉從而連續(xù)工作。還要注意，在關斷過程中，VOUT保持低于VIN的未經過調制的600mV。當存儲器或實時時鐘必須在斷電期間保持激活時，這個特性特別有用?？梢酝ㄟ^更改分壓器的電阻值輕松設定輸出電壓。
為了從電池電源獲得最高功效，DC/DC轉換器必須能夠在1V以下的輸入電壓下工作，并提供范圍在2.5V～5V之間的可調整輸出電壓。理想情況下，這種器件還將能夠在低至0.65V的輸入電壓下繼續(xù)工作，唯一的局限性在于輸入電源提供足夠功率的能力。
這個特性將消除對大的輸入旁路電容的需要，從而節(jié)省了板空間、降低了成本。在低至0.65V的輸入電壓下工作的能力，是從電量接近耗盡的電池中獲得更長使用壽命的重要特性。
以兩個由單節(jié)電池供電的便攜式設備為例，其電池使用壽命的比較表明，在理想測試條件下，電源管理IC在低壓模式下工作的能力使其可比傳統(tǒng)DC/DC轉換器多提供六個多小時的電池使用壽命。工作壽命延長40%為終端產品提供了明顯的優(yōu)勢。
EMI抑制方法
當升壓轉換器在非連續(xù)模式下工作時（即功率傳動周期開始之前，電感電流降至零時），可能存在EMI問題。為了幫助降低電勢參考點，在電感電流為零且器件處于關斷狀態(tài)時，可將一個100Ω的內部阻尼電路跨接在電感上。
EMI和總性能質量也會受PCB布局的影響。高速工作的低壓輸入器件需要格外注意線路板布局，特別是處于涉及N溝道和P溝道開關切換的工作周期期間的高電流通路。SW引腳、VIN引腳CIN、COUT和地之間的電流通路應短而寬，以形成最低的固有電阻損耗和最低的漏電感
支撐當代社會的基礎設施必須以非常高的可靠性運行。互聯(lián)網(wǎng)服務器群和通信交換中心為了保證近乎100％的“無故障運行時間”或系統(tǒng)可用性，它們大多都依賴一項非常成熟的技術——鉛酸電池，而數(shù)據(jù)存儲中心采用的卻是高新技術。通常，這些關鍵節(jié)點和許多其他重要部門均配備備用電源，備用電源的第一層一般是逆變器，逆變器對閥控鉛酸（VRLA）電池或性能類似的密封式膠體電池組裝的電池組提供電源轉換。
這項傳統(tǒng)技術之所以廣為應用，有很多原因，尤其是鉛酸電池經濟實惠，而且具備杰出的可靠性。不過雖然杰出卻并不完美。VRLA電池使用壽命有限（設計壽命一般為12年），通常關鍵系統(tǒng)使用這種電池作為備用電源，不過定期更換。故障可能、確實時有發(fā)生。在一個典型的備用電源系統(tǒng)中，這種電池的作用正如其名—它們始終保持完全充滿電的狀態(tài)等待主電源失效。而完全充滿電狀態(tài)則通過連續(xù)的小電流“浮”充電維持。如果浮充電流低于某設定限值，則電池內部電解產生的氣體就會再化合。在這種情況下，浮充電壓即使略高于單個電池標準值2.27V，也有可能損壞電池。小幅過電壓將導致電解液析出多于再化合處理量的更多氣體，這些未被處理的氣體會通過安全閥溢出。如果電池溫度過高，即使充電電壓適當，也會導致電解液損耗。
其他失效模式包括早期硫酸化、極柱和板柵連接不良、極板和板柵連接不良、電解液層化及板柵加速腐蝕。另外還有一種雖然少卻是災難性的失效模式——熱失控，這是VRLA和膠體電池所特有的一種失效模式，可以引起爆炸起火。防范熱失控的唯一方法是監(jiān)測電池內部溫度。
僅僅監(jiān)測電池電壓對檢測鉛酸電池容量下降所起的作用非常有限，這一點已經得到業(yè)內公認。當電池性能正在下降時，通常呈現(xiàn)的是標稱電壓，直到釋放大電流時方能顯現(xiàn)出來，而這時它的容量已經嚴重降低，端電壓過早跌落。通過測量電解液確切比重來確定電池狀態(tài)，這種方法對密封VRLA或膠體電池不適用；常規(guī)上，檢驗電池容量采用的唯一辦法是將整個電池組放電至受控狀態(tài)以下，不過這種方法需要電池停止使用。此外，深度放電還會降低鉛酸電池的壽命；在定期對其備用電池進行放電測試以及其主電源具備高可靠性的系統(tǒng)上，大多采用這種測試方案確定電池使用壽命。
近來，可以進行連續(xù)監(jiān)測的非介入式電子法可以檢測單個電池的臨近失效狀態(tài)，這種方法既能節(jié)約成本，又能維持整個系統(tǒng)的可用性。此類系統(tǒng)的前身通常測量電池或電池組（電池行業(yè)術語，指封裝于同一殼體內的多個電池）電壓—盡管其局限性眾所周知—加上充/放電流和周圍溫度。一些系統(tǒng)試圖測量或推測電池內阻，其成效各有不同。
LEM的Sentinel系統(tǒng)是基于依賴簡單的基本參數(shù)模擬測量進行轉變的領先產品，現(xiàn)在已經發(fā)展到第3代即SentinelIII。它在單片定制設計的SoC（系統(tǒng)芯片）集成電路上整合了模擬和數(shù)字技術。該裝置配置在一個測量端電壓、電池內部溫度以及內部阻抗的模塊內，對于可以提供精確測量結果、費用又在大多數(shù)備用系統(tǒng)配置能承受的預算范圍內的系統(tǒng)而言，它是設計時一個關鍵要素。
