便携式电源转换设计指南：Microchip解决方案深度解析

一、引言

在当今的电子设备领域，便携式设备的发展日新月异。从智能手机到可穿戴设备，这些设备对电源转换提出了独特而具有挑战性的设计要求。一方面，为了满足小型化的需求，电源转换解决方案需要尽可能小的占用空间；另一方面，为了延长电池寿命，需要高转换效率和低待机功耗。Microchip公司提供了一系列丰富的解决方案，涵盖了降压、升压、线性稳压、背光解决方案以及电池充电管理等多个方面，能够有效应对这些挑战。

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二、DC/DC转换

（一）降压（Buck）开关模式电源转换器

1. 优势 开关模式电源转换器在宽输入电压范围和高输出电流应用中，相较于线性稳压器，能显著提高效率，从而延长便携式应用中的电池续航时间。降压转换器用于调节输出电压，使其始终低于源电压，利用电感和电容进行能量存储，效率通常能超过90%，某些情况下甚至超过95%。
2. 典型产品
   • MCP16301/H：高度集成、高效、固定频率的降压DC - DC转换器，采用流行的6引脚SOT - 23封装。输入电压范围广，效率高达96%，输出电压精度为2%，具有多种保护功能，适用于12V和24V工业/SLA电池输入的DC - DC转换。
   • MCP16311/2：紧凑型、高效、固定频率的PWM/PFM同步降压DC - DC转换器，有8引脚MSOP或2×3 TDFN封装。输入电压范围为4.4V至30V，输出电压范围为2.0V至24V，效率可达95%，具备自动脉冲频率调制/脉冲宽度调制（PFM/PWM）操作模式。
   • MCP16323：完全集成的同步降压dc/dc转换器，输入范围为6V至18V，输出电压可调节在0.9V至5V之间，输出电流可达3A，典型效率高达95%，采用3×3 mm QFN封装，具有多种保护功能和灵活的输出电压选项。
   • MCP1603/L/B：高效、完全集成的500 mA同步降压稳压器，输入范围为2.7V至5.5V，适用于电池供电应用。在重负载时以2.0 MHz固定频率PWM模式工作，轻负载时自动切换到PFM模式以降低静态电流消耗，提高电池续航时间。

（二）线性稳压器

1. 特点 线性稳压器能从变化的输入电压源为系统负载提供精确的稳压输出。与开关稳压器相比，它们通常体积更小、更简单，且能减少电气噪声。虽然效率一般低于降压稳压器，但对于小电压变化或低电流应用，绝对功率损耗可能较小。
2. 典型产品
   • MCP1703A：CMOS低 dropout电压稳压器，最大输出电流为250 mA，输入电压范围为2.7V至16V，静态电流仅为2 μA，适用于使用9V碱性、锂离子或多节电池电源的应用。
   • MCP1710：超低静态电流LDO稳压器，能提供高达200 mA的电流，静态电流低至20 nA，采用2×2 DFN封装，适用于对功耗要求极高的应用。
   • MCP1755：16V、高PSRR电压稳压器，具有短路电流折返功能，能提供高达300 mA的输出电流，输入电压范围为3.6V至16V，适用于汽车和商业12V DC系统。

（三）升压（Boost）开关模式电源转换器

1. 工作原理 升压转换器将未调节的输入电压升高到调节后的输出电压，常用于单节和双节碱性、镍氢和新型不可充电锂电池应用。
2. 典型产品
   • MCP16251：超低静态电流、PFM/PWM同步升压稳压器，具有真正的输出断开或输入/输出旁路选项。典型效率高达96%，静态电流低至4 μA，启动电压低至0.82V，适用于对功耗敏感的应用。
   • MCP1640：紧凑型、高效、固定频率的同步升压DC - DC转换器，适用于由1 - 3节碱性、镍镉、镍氢、单节锂离子或单节锂聚合物电池供电的应用。典型效率高达96%，启动输入电压低至0.65V，具有多种操作模式和保护功能。

三、背光解决方案

（一）开关调节器

1. MCP1643：紧凑型、高效、固定频率的同步升压LED驱动器，具有恒流功能，可从单节和双节碱性、镍氢和镍镉电池供电。输出电压高达5V，能驱动单个白色或蓝色LED，或串联的红色、绿色和黄色LED对，输出电流可达550 mA，效率高达90%。
2. MCP16312：可作为恒流源驱动一个或多个LED，通过在LED阴极和地之间使用感测电阻，利用反馈信号调节内部MOSFET的占空比，实现LED串的恒流输出。
3. MCP16301：可设计成低元件数量的C´uk电路，能在6V至18V输入下工作，提供高达300 mA的电流，适用于驱动多个串联的LED。

（二）电荷泵DC/DC转换器

MCP1256、MCP1257、MCP1258和MCP1259是无电感、正调节的电荷泵DC/DC转换器，能从1.8V至3.6V输入产生3.3V调节输出电压，适用于由双节碱性、双节镍镉、双节镍氢或单节锂原电池供电的应用。这些器件能自动在1.5×至2×升压操作模式之间切换，以保持高效率，还具有睡眠模式、旁路功能、低功耗关机模式等特点。

四、电池管理

（一）线性电池充电器

Microchip提供完整的线性锂离子电池充电器产品线，Li - Ion充电管理控制器能以较少的外部元件提供可靠、低成本和高精度的电压调节解决方案。

1. MCP73830：单节锂离子/锂聚合物电池充电管理控制器，具有多种充电功能，如电池预充电、可编程充电电流、充电结束阈值和计时等，能在低元件数量、小面积电路中最大化电池容量并最小化充电时间。
2. MCP73113、MCP73123：除了MCP73830的功能外，还包括充电状态输出、过电压保护和更多充电结束阈值、安全计时器和充电电流选项。

（二）可编程电池充电器

1. MCP19111：可编程电池充电器参考设计，输入范围为6V至28V，可配置为对镍氢、锂离子和锂铁氧体电池进行多串联和并联配置充电。使用MCP19111数字增强型功率模拟PWM控制器将较高的输入电压降压到较低的输出电压，同时调节电流或电压以正确充电所选电池化学物质。
2. MCP1631：模拟PWM控制器与PIC微控制器结合，用于开发智能电池充电器。MCP1631HV提供驱动多种功率拓扑所需的模拟电路，PIC MCU用于开发可编程充电算法以适应串联电池数量和化学物质。

五、相关支持材料

（一）应用笔记

Microchip网站提供了一系列应用笔记，涵盖了降压开关模式电源转换器设计、锂离子/锂聚合物电池充电、智能电池充电器设计等多个方面，为工程师提供了深入的技术指导。

（二）评估板

Microchip提供了多种评估板，帮助工程师评估不同器件系列的性能，包括降压调节器、升压转换器、LED驱动器、电池充电器等，方便工程师进行产品开发和测试。

六、总结

Microchip的便携式电源转换解决方案为电子工程师提供了丰富的选择，能够满足不同应用场景下的电源转换需求。无论是在降压、升压、线性稳压、背光解决方案还是电池管理方面，都有相应的高性能产品和完善的支持材料。工程师们在设计便携式设备时，可以根据具体的应用需求，选择合适的Microchip产品，以实现高效、可靠的电源转换设计。你在实际设计中是否遇到过类似的电源转换问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。