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能延长电池寿命的单节电池升压转换器设计

Steven Chen?? 奥地利微电子应用工程师?? 2007年09月05日 ?? 收藏0

  对于电源设计来说,最重要的参数是成本、效率、输出波纹和噪声。对于便携式设备而言,小尺寸和更长的电池寿命是消费者的基本要求。更长的电池寿命要求整个系统具备更高的功效。高效可以最大限度降低功耗,使终端设备尺寸更小,造型更灵活。

图1AS1322内部框图


  对所有便携式设备设计而言,高效的DC/DC转换器都是至关重要的。许多应用都要求使用单节AA或AAA电池,如无线鼠标,这给电源设计师带来了诸多挑战。将850mV~1.5V输入电压转换成3.3V系统输出电压,需要一个升压DC/DC转换器。奥地利微电子公司的同步升压转换器AS1322,在 3mm×3mm×1mm、6引脚SOT封装内集成了固定频率操作和内部补偿功能,可以满足上述要求。该器件的1.2MHz开关频率和集成特性可最大限度缩减整体占位尺寸,并采用微型、小尺寸电感和陶瓷电容。

  AS1322采用薄型SOT封装,加上几个外部元件,即可构成单节AA电池至3.3V/150mA的升压转换器,电路板面积仅为7mm×9mm,同时具有90%的效率。若采用单节电池供电(输入电压1.5V),当负载电流介于25mA~80mA之间时,转换效率在90%以上。外部的低电流肖特基

二极管不是必需的,但它可以在更高的输出电流下实现效率最大化。

  如图1所示,AS1322集成了低栅极电荷的内部开关,典型额定阻值分别为0.35Ω(N) 和0.45Ω(P),这些特性有助于转换器实现高效工作。在整个工作温度范围内,开关电流限的典型值为850mA,使用新的单节碱性AA电池时输出功率可达0.66W,使用两节电池可达2.5W。电流模式控制功能可提供出色的输入电压及输出负载瞬态响应。内置斜坡补偿(可防止占空比大于50%时导致次谐波不稳)电路,可以在任何输入电压下保持恒定的电流限。

  内部反馈环路补偿无需外部元件, 降低了整体成本并简化了设计流程。省电操作模式只有在需要将输出电压保持在1%调节范围内时才激活电源转换器,可提高轻载(典型值为ILOAD<3mA)时的转换器效率。这样只要输出电压处于稳压范围内,转换器就切换到休眠状态,从而大幅度降低栅极电荷损耗和静态电流。AS1322B没有省电模式,在整个工作范围内均保持为恒定频率的PWM操作。这种方式会增加静态电流,但是恒定频率PWM在一些对频率敏感的应用中非常重要。除此之外,AS1322A和AS1322B是相同的。关断电流小于1mA,此控制引脚具有滞回特性,因此简单地使用电阻上拉至VIN,即可实现持续工作。还需要注意,关断状态下VOUT保持为比VIN低600mV的非调节电压。当存储器或实时时钟在关断状态下仍然需要保持工作状态时,这种特性尤其有用。

  输出电压可简单地通过改变分压器的阻值进行设置,见下面的式1(R1和R2的位置参见图1)。

  式1. 输出电压等式

  VOUT = 1.23V(1 + (R1/R2)

  AS1322可工作在低于1V的输入电压下,并能提供2.5V~5V的可调输出电压。一旦启动后,AS1322可在低至0.65V的输入电压下继续工作,只要输入电源能提供足够的功率,就不会影响该功能。此特性无需使用庞大的输入旁路电容,有助于进一步节省电路板空间和成本。能够在0.65V典型输入电压下工作,这是从一个即将耗尽的电池中获得更多工作时间的重要因素。以无线鼠标的单节电池寿命为例,与同类产品相比,在相同测试条件下AS1322的工作时间超出大约6小时。这意味着增加了40%的工作时间,从而为终端产品提供了明显的优势。性能对比如图2所示。

图2单节电池寿命的延长情况


  当升压转换器工作于非连续模式时(在下一个开关周期开始前电感电流降为零),EMI可能造成问题。为减少潜在的干扰,当电感电流为零或该器件处于关断状态时,器件会在电感两端接入一个100Ω的内部阻尼电路。

  EMI和总体性能会受到PCB布局的影响。AS1322的高速工作要求电路板布局格外慎重,如果布局不合理,可能很难实现给出的性能指标。图3给出了一个工作周期内的大电流路径,包括内部N沟道和P沟道开关的切换过程(见图1)。SW引脚、VIN引脚的CIN、COUT和Ground之间的电流路径应该短而宽,以使内在的阻性损耗和杂散电感最低。

图3一个完整周期的电感电流路径

图4单层元件布局


  图4给出了推荐的元件布局。大的接地引脚覆铜区域有助于降低芯片温度。带独立地层的多层板最为理想,但不是绝对必要的。


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