誰需要插入？從智能手機(jī)到音樂播放器，再到健康和健身可穿戴設(shè)備，便攜式電池供電設(shè)備無處不在。相機(jī)、平板電腦、耳機(jī)、助聽器、智能手表、健身監(jiān)視器、手動(dòng)工具和儀表以及 GPS 追蹤器都需要一個(gè)巧妙的電源計(jì)劃。每天都有更多的設(shè)備加入這一類別。

當(dāng)工程師設(shè)計(jì)電池供電的移動(dòng)或可穿戴應(yīng)用時(shí)，電源轉(zhuǎn)換方法始終是首要考慮因素。在某個(gè)地方找到這些設(shè)備的評(píng)論，您將看到主要討論電池壽命和充電時(shí)間。消費(fèi)者要求兩次充電之間的運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)。

對(duì)于您正在設(shè)計(jì)的任何便攜式設(shè)備，其電源轉(zhuǎn)換器的尺寸、重量和效率都是優(yōu)化的關(guān)鍵因素。幸運(yùn)的是，有一些很棒的功率轉(zhuǎn)換技術(shù)可以幫助您。

電池驅(qū)動(dòng)電源轉(zhuǎn)換選擇

開始設(shè)計(jì)時(shí)的第一個(gè)決定是電池?？筛鼡Q原電池還是可充電電池？或者，一個(gè)不可更換的電池，持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，以至于用戶處理掉整個(gè)產(chǎn)品并購(gòu)買新產(chǎn)品？

電池類型和電壓將決定您的許多功率轉(zhuǎn)換決策。更常見的電池類型是堿性，鎳金屬氫化物（Ni-MH），鋰離子（Li-ion）和鋰離子聚合物（LiPo，LIP，Li-poly）。隨著成本的下降，各種鋰類型最近開始接管。標(biāo)稱電池電壓范圍為 1.25V 至 3.7V，具體取決于您的選擇。這種選擇很可能與能量密度、成本和循環(huán)壽命（多少次充放電循環(huán)）有關(guān)。

我們應(yīng)該補(bǔ)充一點(diǎn)，通過太陽能電池、熱電或振動(dòng)收集能量可能是低功耗便攜式設(shè)計(jì)的一種選擇。對(duì)于幾乎所有應(yīng)用，您仍然需要小型可充電電池，但是，在某些情況下，大型電容器可能會(huì)工作。

小而輕當(dāng)然是這個(gè)游戲的名字。通常需要具有極低靜態(tài)電流的轉(zhuǎn)換器來有效地處理非活動(dòng)周期。大型變壓器和電感器在這里不起作用。我們需要對(duì)小尺寸磁性元件使用高頻轉(zhuǎn)換。我們需要效率，效率，效率。

支持單電源

如果您的應(yīng)用可以采用高于電池電壓的單電源工作，則升壓轉(zhuǎn)換器是簡(jiǎn)單的選擇。諧振模式穩(wěn)壓器等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是可用的，但其控制電路對(duì)于小型系統(tǒng)消耗過多的功率。為超過 8A 的設(shè)計(jì)保存這些。具有同步整流功能的半橋反激式升壓轉(zhuǎn)換器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，但略顯復(fù)雜。有許多升壓開關(guān)穩(wěn)壓器IC將所有這些復(fù)雜性都納入其中。尋找靜態(tài)電源電流低至500nA左右、在90μA至100mA輸出范圍內(nèi)效率優(yōu)于100%且啟動(dòng)電壓小于1V的芯片。有些將在低至0.40V的電壓下工作，一旦它們以>1V啟動(dòng)。

這種類型的轉(zhuǎn)換器芯片可以采用微型 2mm x 2mm 6 引腳 μDFN 或 0.88mm x 1.4mm WLP 封裝。250KHz或更高的開關(guān)頻率意味著所需的少量外部元件將很小。尋找固定頻率，或者更好的是固定抖動(dòng)頻率，以減少電磁干擾（EMI）。由于芯片功率限制小，最大輸出電流會(huì)隨輸入電壓而變化很大，因此請(qǐng)務(wù)必檢查安全工作范圍以及電感電流和額定值。

降壓-升壓拓?fù)涫悄拇鸢竼幔?/p>

降壓-升壓控制器解決了電池電壓?jiǎn)栴}。標(biāo)準(zhǔn)降壓-升壓開關(guān)電路通常產(chǎn)生負(fù)（反相）輸出電壓。單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC）拓?fù)涮峁┩噍敵?，但需要兩個(gè)電感（見圖2）。這些電感器可以作為耦合電感器制造，從而減小了其占板面積和成本。如果我們以 1MHz 或 2MHz 運(yùn)行，它們不是很大。但是，串聯(lián)電容器必須是非極化的，因此要大以處理所需的電流。

圖2.SEPIC轉(zhuǎn)換器的基本框圖。

由于串聯(lián)電容器阻斷直流電，因此通過它的平均電流為零，使第二個(gè)電感器成為直流負(fù)載電流的唯一來源。通過該電感器的平均電流與平均負(fù)載電流相同，與輸入電壓無關(guān)。

也有類似的拓?fù)浣祲?升壓轉(zhuǎn)換器，它們使用四開關(guān)H橋配置，只有一個(gè)電感。由于這四個(gè)交換機(jī)都位于一個(gè)微小的 WLP 封裝中，因此沒關(guān)系。這些器件必須具有 N 溝道和 P 溝道 FET 以及內(nèi)部升壓電源才能運(yùn)行它們。它們通常工作在2.5MHz左右。您可以尋找 2.3V 至 5.5V 的輸入電壓范圍，在 90mA 至 1A 的輸出負(fù)載電流范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超過 1% 的效率。在我見過的器件中，單輸出電壓通常限制在2.5V至4.2V左右。通過跳頻模式開關(guān)實(shí)現(xiàn)低輸出電流下的高效率。

圖3.四開關(guān)H橋配置降壓-升壓轉(zhuǎn)換器只需很少的外部元件，并使用串行I2C 設(shè)置和監(jiān)控接口。這些IC如MAX77801采用小封裝。

需要多個(gè)電源軌

大多數(shù)筆記本電腦都很智能。它們配備了某種微控制器，并有一些傳感器 - 包括溫度，加速度，方向，生物電勢(shì)和陀螺儀。他們可能使用藍(lán)牙無線。很可能有一個(gè)發(fā)光的LCD觸摸屏。

這意味著您肯定需要多個(gè)電源電壓。您可能夢(mèng)想讓所有電源都以 1.8V 電壓運(yùn)行，但最終可能會(huì)得到至少三個(gè)電源軌。幸運(yùn)的是，有許多具有多個(gè)輸出的電源IC以多通道集成電源管理IC的形式非常適合此應(yīng)用。

單電感、多輸出 （SIMO） 降壓-升壓穩(wěn)壓器 IC 通常提供 150 或 <> 個(gè)獨(dú)立可編程電源軌輸出，以及一個(gè)具有高紋波抑制功能的 <>mA 低壓差 （LDO） 線性穩(wěn)壓器，適用于音頻和其他噪聲敏感型應(yīng)用。這種類型的PMIC可能有一個(gè)I2用于配置和狀態(tài)檢查的 C 接口。它們通常需要很少的外部組件，并且可能包括電池充電器和電池溫度監(jiān)視器以確保安全。有些還具有用于LED的吸電流驅(qū)動(dòng)器輸出。有些專門針對(duì)運(yùn)行LCD顯示器。

這些IC中的大多數(shù)僅占用μA的工作電流。其三個(gè)或四個(gè)降壓-升壓輸出分別提供 25mA 至 100mA 的輸出電流，具體取決于輸入電壓。它們通常占用一個(gè)小型 6x5 WLP 封裝（圖 4）。

圖5.具有三個(gè)輸出的SIMO轉(zhuǎn)換器方案。

SIMO架構(gòu)基本上共用一個(gè)電感。SIMO有一些權(quán)衡。由于單個(gè)電感器基本上為交替輸出提供能量桶，因此輸出電壓紋波會(huì)有些高。可能需要更多過濾。電壓精度不會(huì)是單個(gè)穩(wěn)壓器所能獲得的。這些芯片通常具有0.8V至5.25V之間的輸出電壓，精度為±2.5%。

SIMO 電源管理 IC 的其他示例具有三個(gè)降壓穩(wěn)壓器、三個(gè)或四個(gè) LDO 線性穩(wěn)壓器和一個(gè)降壓-升壓穩(wěn)壓器，在一個(gè)芯片中提供多達(dá)七個(gè)穩(wěn)壓電壓。這些IC在單個(gè)芯片中提供所需的一切，并包括一個(gè)5mA至500mA的電池充電電路。

為便攜式和可穿戴設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)并不容易。保持高效率、低占地面積和低價(jià)格是很困難的。但是，最新的轉(zhuǎn)換IC可以幫助簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程，同時(shí)使您能夠?qū)崿F(xiàn)性能目標(biāo)。

審核編輯：郭婷