便携式设计的功率转换效率

谁需要插入？从智能手机到音乐播放器，再到健康和健身可穿戴设备，便携式电池供电设备无处不在。相机、平板电脑、耳机、助听器、智能手表、健身监视器、手动工具和仪表以及 GPS 追踪器都需要一个巧妙的电源计划。每天都有更多的设备加入这一类别。

当工程师设计电池供电的移动或可穿戴应用时，电源转换方法始终是首要考虑因素。在某个地方找到这些设备的评论，您将看到主要讨论电池寿命和充电时间。消费者要求两次充电之间的运行时间较长。

对于您正在设计的任何便携式设备，其电源转换器的尺寸、重量和效率都是优化的关键因素。幸运的是，有一些很棒的功率转换技术可以帮助您。

电池驱动电源转换选择

开始设计时的第一个决定是电池。可更换原电池还是可充电电池？或者，一个不可更换的电池，持续很长时间，以至于用户处理掉整个产品并购买新产品？

电池类型和电压将决定您的许多功率转换决策。更常见的电池类型是碱性，镍金属氢化物（Ni-MH），锂离子（Li-ion）和锂离子聚合物（LiPo，LIP，Li-poly）。随着成本的下降，各种锂类型最近开始接管。标称电池电压范围为 1.25V 至 3.7V，具体取决于您的选择。这种选择很可能与能量密度、成本和循环寿命（多少次充放电循环）有关。

我们应该补充一点，通过太阳能电池、热电或振动收集能量可能是低功耗便携式设计的一种选择。对于几乎所有应用，您仍然需要小型可充电电池，但是，在某些情况下，大型电容器可能会工作。

小而轻当然是这个游戏的名字。通常需要具有极低静态电流的转换器来有效地处理非活动周期。大型变压器和电感器在这里不起作用。我们需要对小尺寸磁性元件使用高频转换。我们需要效率，效率，效率。

支持单电源

如果您的应用可以采用高于电池电压的单电源工作，则升压转换器是简单的选择。谐振模式稳压器等拓扑结构是可用的，但其控制电路对于小型系统消耗过多的功率。为超过 8A 的设计保存这些。具有同步整流功能的半桥反激式升压转换器是一个不错的选择，但略显复杂。有许多升压开关稳压器IC将所有这些复杂性都纳入其中。寻找静态电源电流低至500nA左右、在90μA至100mA输出范围内效率优于100%且启动电压小于1V的芯片。有些将在低至0.40V的电压下工作，一旦它们以>1V启动。

这种类型的转换器芯片可以采用微型 2mm x 2mm 6 引脚 μDFN 或 0.88mm x 1.4mm WLP 封装。250KHz或更高的开关频率意味着所需的少量外部元件将很小。寻找固定频率，或者更好的是固定抖动频率，以减少电磁干扰（EMI）。由于芯片功率限制小，最大输出电流会随输入电压而变化很大，因此请务必检查安全工作范围以及电感电流和额定值。

降压-升压拓扑是您的答案吗？

降压-升压控制器解决了电池电压问题。标准降压-升压开关电路通常产生负（反相）输出电压。单端初级电感转换器（SEPIC）拓扑提供同相输出，但需要两个电感（见图2）。这些电感器可以作为耦合电感器制造，从而减小了其占板面积和成本。如果我们以 1MHz 或 2MHz 运行，它们不是很大。但是，串联电容器必须是非极化的，因此要大以处理所需的电流。

图2.SEPIC转换器的基本框图。

由于串联电容器阻断直流电，因此通过它的平均电流为零，使第二个电感器成为直流负载电流的唯一来源。通过该电感器的平均电流与平均负载电流相同，与输入电压无关。

也有类似的拓扑降压/升压转换器，它们使用四开关H桥配置，只有一个电感。由于这四个交换机都位于一个微小的 WLP 封装中，因此没关系。这些器件必须具有 N 沟道和 P 沟道 FET 以及内部升压电源才能运行它们。它们通常工作在2.5MHz左右。您可以寻找 2.3V 至 5.5V 的输入电压范围，在 90mA 至 1A 的输出负载电流范围内实现超过 1% 的效率。在我见过的器件中，单输出电压通常限制在2.5V至4.2V左右。通过跳频模式开关实现低输出电流下的高效率。

图3.四开关H桥配置降压-升压转换器只需很少的外部元件，并使用串行I2C 设置和监控接口。这些IC如MAX77801采用小封装。

需要多个电源轨

大多数笔记本电脑都很智能。它们配备了某种微控制器，并有一些传感器 - 包括温度，加速度，方向，生物电势和陀螺仪。他们可能使用蓝牙无线。很可能有一个发光的LCD触摸屏。

这意味着您肯定需要多个电源电压。您可能梦想让所有电源都以 1.8V 电压运行，但最终可能会得到至少三个电源轨。幸运的是，有许多具有多个输出的电源IC以多通道集成电源管理IC的形式非常适合此应用。

单电感、多输出 （SIMO） 降压-升压稳压器 IC 通常提供 150 或 <> 个独立可编程电源轨输出，以及一个具有高纹波抑制功能的 <>mA 低压差 （LDO） 线性稳压器，适用于音频和其他噪声敏感型应用。这种类型的PMIC可能有一个I2用于配置和状态检查的 C 接口。它们通常需要很少的外部组件，并且可能包括电池充电器和电池温度监视器以确保安全。有些还具有用于LED的吸电流驱动器输出。有些专门针对运行LCD显示器。

这些IC中的大多数仅占用μA的工作电流。其三个或四个降压-升压输出分别提供 25mA 至 100mA 的输出电流，具体取决于输入电压。它们通常占用一个小型 6x5 WLP 封装（图 4）。

图5.具有三个输出的SIMO转换器方案。

SIMO架构基本上共用一个电感。SIMO有一些权衡。由于单个电感器基本上为交替输出提供能量桶，因此输出电压纹波会有些高。可能需要更多过滤。电压精度不会是单个稳压器所能获得的。这些芯片通常具有0.8V至5.25V之间的输出电压，精度为±2.5%。

SIMO 电源管理 IC 的其他示例具有三个降压稳压器、三个或四个 LDO 线性稳压器和一个降压-升压稳压器，在一个芯片中提供多达七个稳压电压。这些IC在单个芯片中提供所需的一切，并包括一个5mA至500mA的电池充电电路。

为便携式和可穿戴设备进行设计并不容易。保持高效率、低占地面积和低价格是很困难的。但是，最新的转换IC可以帮助简化设计过程，同时使您能够实现性能目标。

审核编辑：郭婷