开关电容转换器简化了从1S到2S电池架构的迁移

在本设计解决方案中，我们讨论了在电池供电设备中提高电池容量的同时保持锂离子（Li）单节电源架构的挑战。对于更高效的电池系统，我们提出了一种2：1降压转换器，可以保留现有的下游1S电源架构，而无需更高的电池充电电流。随后，我们展示了开关电容转换器（SCC）是最佳的降压转换器解决方案，因为它具有高效率和低PCB尺寸。

介绍

耗电的便携式电子产品正在推动电池容量上升。例如，移动销售点 （POS） 设备采用集成热敏打印机构建，这会增加功耗，并且可能需要更高容量的电池。通过使用更多的串联或并联电池来获得更高的电池容量。例如，要使容量翻倍，最简单的方法是从一个电池（1S）移动到两个并行电池（2P）。该解决方案使输送功率加倍，并保持下游电子设备的额定电压，同时增加从电池汲取的电流。但是，为电池充电时会出现问题，因为标准USB-C电缆的额定电流为3A。为 2P 电池充电需要两倍的电流，这可能会超过 3A 限制。或者，充电速率可以减半，导致充电时间增加一倍。

USB Type-C 标准支持 15W、5V、3A 或 25W、5V、5A，带有特殊的电子标记电缆。但特殊电缆既昂贵又不常见，因此应用支持标准 3A 电缆额定值非常重要。

满足此约束并增加输出功率的一种方法是使用两个串联（2S）而不是并联的Li+电池。两个串联电池可以使用与单电池方案相同的电流充电，并提供双倍的容量。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。这种选择可能会在高压设备的可用性方面产生问题，并在库存和不同额定电压的充电和控制设备的采购中带来问题。由于不同设备上的交易量分散，它还会带来购买力的损失。

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，同时支持使用2S电池。

图2.2S低电流电池管理系统，带2：1降压转换器。

在此设计解决方案中，我们建议使用2：1开关电容转换器（SCC）作为首选的降压转换器。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，在像我们这样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。与电感式降压转换器相比，SCC 还具有更低的开关损耗。在降压转换器中，每个开关阻断全输入电压并支持全输出电流。在 2：1 SCC 中，开关仅阻断一半的输入电压并承载一半的输出电流，从而降低了开关损耗。最后，SCC受益于电容器比电感器更高的能量密度，从而减小了PCB面积1.上述所有因素使SCC成为此应用的理想解决方案。

鳞状细胞癌操作

图 3 说明了两相 SCC 架构。在第一个周期中，FET S1 和 S2 导通，C飞行1在提供负载时充电。同时，FET S7 和 S8 导通，C飞行2放电以供应负载。

图3.两相 SCC 架构的操作。

图4显示了与上述第一个周期相对应的SCC波形。

图4.两相 SCC 架构的 SCC 波形。

下一个周期与前一个周期完全对称：S1 和 S2 关闭，而 S3 和 S4 打开，C飞行1提供负载。同时，S7 和 S8 关闭，而 S5 和 S6 打开。飞行2在充电的同时也提供负载。两相操作可降低输出电容器上的纹波。

开关电容转换器

例如，MAX77932C为两相开关电容转换器，集成电源开关，提供8A输出电流，输入电压被二分频（见图5）。该 IC 适用于使用 2S Li+ 电池，同时为在 1S 等效电压下工作的电路供电的应用。它还适用于从 1S 电池配置迁移到 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。

图5.SCC 框图。

高效率

如图6所示，在0.5MHz开关频率下，SCC效率超过98%。这种高效率有助于减少热损失，并有助于将应用温度保持在“皮肤温度”水平以下。

图6.2：1 SCC 高效率。

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战胜单级高压（HV）降压转换器。与高压降压转换器相比，低压降压转换器具有更低的开关损耗和更高的占空比。表 1 显示了两阶段解决方案的优势。为了说明2%效率优势的影响，请考虑12V、3A、36W充电器的情况，这是USB-C PD应用中常用的功率电平。SCC解决方案的效率更高，散热量降低约0.7W。在这种情况下，结环境热阻为35°/W的IC将在没有任何热管理材料的情况下以25°C的温度运行。这种改进的热性能使得更容易将设备的“皮肤温度”保持在可接受的范围内。

 

拓扑学	鳞状细胞癌效率	降压效率	整体效率
SCC + 低压降压	~98%	~94%	~92%
高压降压	不适用	~90%	~90%

 

该 IC 在低电流下还具有出色的效率。图7显示效率高于92%，电流范围为1mA至10mA。由于笔记本电脑在待机状态下花费的时间更长，此功能可显著延长电池寿命。

图7.轻负载时 2：1 SCC 高效率。

占地面积小

该 IC 采用纤巧、无铅 0.4mm 间距、2.4mm × 2.8mm 42 引脚晶圆级封装 （WLP）。小芯片和小无源器件的组合使PCB占位面积仅为14.6 mm2.图 8 中的比较显示，与竞争对手的类似解决方案相比，占位面积优势为 27%。

图8.27% 的占地面积净规模优势。

结论

便携式设备（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，正在推动其电池容量的上升。虽然从 1S 配置迁移到 2S 配置可以实现更快的充电速度，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）产生最佳的整体系统效率，最适合保留现有的1S下游电源架构。

审核编辑：郭婷