可利于电池系统优化的降压-升压转换器介绍

许多安全和运动检测系统依赖于简单易用的小型半自治节点。这意味着使用基于电池的电源和低功率操作，以便在产品的使用寿命期间最小化电池更换次数。

在电池寿命期间，电池的输出电压下降，当电荷接近完全耗尽时，电池的输出电压下降幅度最大。可以适应这种电压变化但仍可为传感器和RF发射器提供相对较高电压的转换器类型是降压 - 升压转换器 - 它在电池刚刚运行时操作电路的降压部分，在电压升高时移动到升压操作低于其供电的电子电路的阈值。许多供应商已经开发出针对电池系统优化的集成降压 - 升压转换器，本文讨论了其中的一些，包括来自ams，ADI公司，凌力尔特公司，安森美半导体和德州仪器的器件。

运动检测已经成为现代安全系统中不可或缺的一部分，在家庭或办公室应该是空的时候观察入侵者的迹象。随着时间的推移，我们将看到将运动检测扩展到日常生活中的新应用，允许我们通过使用手势来控制照明和媒体设备。在家中传播的设备将观察这些关键手势，使用先进的信号和图像处理技术来区分对系统重要的自然动作和手势。

这些系统之间的一个重要联系是需要分布式低能耗传感器，这些传感器可以从电池运行，以避免重新连接家庭以安装新系统。它们使用低功率无线电协议相互通信并与中央处理节点通信，并使用各种形式的传感技术（如超声波或低分辨率视频）来分析人的运动。

某些类型的传感器需要高电压才能运行，这些电压不能从电池单元本身产生，或者可能需要背光LED或内置状态显示器，这需要高压电源才能运行。升压或升压稳压器的一个选择是安森美半导体NCP1403。该器件设计用于将单个锂离子电池或两个AA或AAA电池升压至高达15 V的电压。

在使用低压传感器的系统中，仍然需要具有升压功能可用。简单的低功耗操作不足以延长电池的使用寿命。典型电池的放电曲线意味着它仅在完全充电时或附近输出其峰值电压。当电池放电时，其输出电压将下降，可能低于系统设计的电源电压。通常有一个非常大的下降接近完全耗尽。然而，如果周围的电路可以使用它，电池仍然具有它可以提供的能量。实际上，电池很少在需要更换之前清空 - 它根本无法提供可用的能量。例如，当输出电压低于0.9 V时，1.5 V AA碱性电池通常被视为“空”。

图1：典型NiMH AA电池的放电曲线。

在实践中，电池通常组合使用以提高其电压输出，使得在电池的总能量的很大一部分上操作典型的微控制器和RF电路变得更容易。相反，对于完全充电的电池组，电压通常对于传感器节点的电路来说太高。因此，大多数设计使用某种形式的降压稳压器来控制系统其余部分的电源电压，并适应电池的下降输出。由于输入电压需要高于降压稳压器的输出电压，因此无法从电池组获得足够的电压，即使能量可用，系统也会关闭。为了充分利用这种存储的能量，可以切换到升压调节器以提供必要的输出电压。升压调节器的效率最有可能低于降压调节器的效率，但它为系统提供了额外的寿命。此时传感器可以向用户报告接近更换电池的时间。

通过将降压和升压调节器的功能集成到一个控制单元中，供应商满足了对更灵活的电池供电系统的需求，根据电池组的状态自动从一种模式切换到另一种模式。在这些设计中，通常存在两个脉冲宽度调制（PWM）环路。每个的占空比由单独的斜坡信号控制。比较器用于分析误差放大器的输出信号，以确定何时应该切换开关以创建PWM波形的下一个相位。

图2：典型的降压 - 升压架构。

ams AS1337设计采用降压或升压模式下的两节AA碱性电池供电，在200 mA时提供3.3 V的恒定电压。它是一种采用电流模式PWM控制的固定频率设计，可实现良好的线路和负载调节。与同类产品中的其他组件一样，稳压器还支持省电模式，其中PWM活动暂时中止。可选电容可用于降低输出电压纹波。

在传统降压 - 升压转换器设计中，当输入电压接近接近输出电压的范围时，工作模式将从降压转换为升压。然而，当模式切换时可能存在不连续性，这可能导致PWM信号暂停并产生低频噪声。一种解决方案是在重叠区域中以两种模式操作转换器。凌力尔特公司的LTC3530是一款集成降压 - 升压转换器，采用开关算法在降压和升压模式之间移动，可在1.8 V至5.5 V的输入电压范围内工作。该设计适用于使用两节AA电池或单节锂离子或锂聚合物光源的系统，并在输入和输出电压接近的情况下使用传统的降压 - 升压模式。在此模式下，所有四个内部开关 - 两个来自降压，两个来自升压部分 - 将运行。

LTC3530的开关频率可以使用外部电阻进行编程，因此可以针对目标应用的空间和效率要求优化转换器。设备的省电模式以当前级别输入，可由用户编程以提高轻载效率。

图3：降压，降压 - 升压和升压模式以及它们如何在典型的四开关降压 - 升压转换器的放电曲线的不同点切换。

ADI公司的ADP2503电压范围为2.3 V至5.5 V，可与单节锂电池或多节AA或AAA电池配合使用。该设计提供组合降压 - 升压模式，适用于输入和输出电压靠近的情况，以提供良好的调节并在输出级保持最小的电流纹波。

通过外部同步信号，只要在2.1 MHz至2.9 MHz范围内切换，调节器将滑动到所应用的频率。在没有外部频率源的情况下，器件可以进入省电模式，暂时禁用PWM控制以避免开关损耗。当负载电流超过150 mA时，器件退出省电模式并恢复正常工作。该电流水平设置在省电阈值以上，以提供滞后水平并避免两种模式之间的振荡。

四开关操作的一个潜在问题是效率降低，这在电池供电系统中是不希望的。效率的下降是由于操作四个开关 - 并且遭受其总开关损耗 - 而不是分别专用于降压和升压模式的两个开关。潜在地，因为电池的电压/放电曲线在其大部分范围内非常平坦，所以重叠区域可以在很长时间内使用。结果是缩短了电池寿命，而不是通过对共享降压 - 升压模式进行更智能控制。

试图解决这些问题的集成降压 - 升压转换器的一个例子是德州仪器公司的TPS63020。该转换器专为采用两节或三节碱性电池，NiCd和NiMH电池系统或单节锂离子或锂聚合物系统供电的系统而设计，可提供高达3 A的电流，以应对峰值功率输出 - 例如当探测器正在读取数据并传输数据时 - 并且可以使用低至2.5 V及以下的输出电压。

TPS63020在降压和升压模式之间自动切换，带有一个有源开关和一个整流开关。一个开关永久接通，其余开关在任一模式下永久关闭，从而降低了整体开关损耗。没有所有开关在超过一个时钟周期内有效的状态。在该装置中，如果调节器确定所有开关应在单个时钟周期内变为有效，则斜坡彼此远离。然而，如果斜坡彼此移动得太远以至于没有切换活动，则它们被移动得更靠近在一起，从而可以恢复正常的PWM操作。这种行为导致传统共享降压 - 升压循环的大幅减少。

控制器电路采用平均电流模式拓扑结构，不断监测输入和输出电压的变化。电压的变化被馈送到调制器以改变占空比以实现快速响应。为实现最高效率，转换器使用固定频率PWM控制器进行同步整流。该器件中有四个N沟道MOSFET，可将外部元件减少到用于储能和输出平滑的电感器。

在低负载电流下，与许多其他设备一样，转换器可以进入省电模式，暂时禁用PWM活动，通过开关损耗减少能量浪费。在省电模式期间，比较器监视输出电压，以便在低于安全阈值时重新开始操作。当输出电压略高于标称值时，PWM操作停止。当平均电感电流超过100 mA时，转换器会退出省电模式。对于需要更严格的电压容差的系统，可以完全禁用省电模式。

通过适应当今电池技术的电压曲线，先进的降压 - 升压转换器可以在处理新型传感器类型方面做很多工作，并在每个电池内汲取大部分可用的存储能量。控制器设计的进步 - 例如降低降压 - 升压模式损耗的技术 - 进一步提高了效率。