誰需要插電？從智能手機到音樂播放器，再到健康和健身可穿戴設備，便攜式、電池供電的設備無處不在。相機、平板電腦、耳機、助聽器、智能手表、健身監(jiān)視器、手動工具和儀表以及 GPS 追蹤器都需要巧妙的電源計劃。每天都有更多設備加入此類別。

當工程師為電池供電的移動或可穿戴應用進行設計時，電源轉(zhuǎn)換方法始終是首要考慮因素。在某處查找任何這些設備的評論，您將看到主要討論的電池壽命和充電時間。消費者需要較長的充電間隔時間。

對于您正在設計的任何便攜式設備，其電源轉(zhuǎn)換器的尺寸、重量和效率都是需要優(yōu)化的重要因素。幸運的是，有一些很棒的電源轉(zhuǎn)換技術(shù)可以幫助您。

電池驅(qū)動電源轉(zhuǎn)換選擇

開始設計時的第一個決定是電池。可更換的原電池還是可充電電池？或者，一種不可更換的電池，持續(xù)時間如此之長，以至于用戶丟棄了整個產(chǎn)品并購買了一個新電池？

電池類型和電壓將決定您的許多電源轉(zhuǎn)換決策。較常見的電池類型是堿性電池、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占據(jù)主導地位。標稱電池電壓可以為 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（充放電循環(huán)次數(shù)）有關(guān)。

我們應該補充一點，通過太陽能電池、熱電或振動收集能量可能是低功耗便攜式設計的一種選擇。對于幾乎所有應用，您仍然需要一個小型可充電電池——但是，在某些情況下，一個大電容器可能會起作用。

小巧輕便當然是這款游戲的名稱。并且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期。大變壓器和電感器在這里是行不通的。我們需要對小型磁體使用高頻轉(zhuǎn)換。我們需要效率，效率，效率。

支持單電源

如果您的應用可以使用高于電池電壓的單電源工作，那么升壓轉(zhuǎn)換器是最簡單的方法。諸如諧振模式調(diào)節(jié)器之類的拓撲是可用的，但它們的控制電路對于小型系統(tǒng)來說消耗過多的功率。為超過 8A 的設計保留這些。具有同步整流的半橋反激升壓轉(zhuǎn)換器是一個很好的選擇，但稍微復雜一些。有許多升壓開關(guān)穩(wěn)壓器 IC 將所有這些復雜性都包含在內(nèi)。尋找一種靜態(tài)電源電流降低約 500nA、在 100μA 至 100mA 的輸出范圍內(nèi)效率優(yōu)于 90%、啟動電壓低于 1V 的芯片。一些將在低于 0.40V 時工作，一旦它們以 》1V 啟動。

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數(shù)外部元件將很小。尋找固定頻率，或者更好的是固定抖動頻率，以減少電磁干擾 （EMI）。由于芯片功率限制較小，最大輸出電流會隨輸入電壓變化很大，因此請務必檢查安全工作范圍以及電感電流和額定值。

降壓-升壓拓撲是您的答案嗎？

升降壓控制器解決了電池電壓問題。標準升降壓開關(guān)電路通常會產(chǎn)生負（反相）輸出電壓。單端初級電感轉(zhuǎn)換器 （SEPIC） 拓撲提供同相輸出，但需要兩個電感器（參見圖 2）。這些電感器可以制成耦合電感器，從而減少它們的占位面積和成本。如果我們以 1MHz 或 2MHz 運行，它們不是很大。然而，串聯(lián)電容器必須是非極化的，因此，它會很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)電容器阻擋直流電，通過它的平均電流為零，使第二個電感器成為直流負載電流的唯一來源。通過該電感的平均電流與平均負載電流相同，并且與輸入電壓無關(guān)。

有類似的拓撲降壓/升壓轉(zhuǎn)換器使用四開關(guān) H 橋配置并且只有一個電感器。由于四個開關(guān)都在一個微型 WLP 封裝內(nèi)，所以沒關(guān)系。這些器件必須具有 N 和 P 溝道 FET 以及內(nèi)部升壓電源才能運行它們。它們通常工作在 2.5MHz 左右。您可以在 1mA 至 1A 的輸出負載電流范圍內(nèi)尋找 2.3V 至 5.5V 的輸入電壓范圍和超過 90% 的效率。在我見過的設備中，單路輸出電壓通常限制在 2.5V 到 4.2V 左右。跳躍模式開關(guān)可在低輸出電流下實現(xiàn)高效率。

圖 3. 四開關(guān) H 橋配置降壓-升壓轉(zhuǎn)換器需要很少的外部元件，并使用串行 I 2 C 設置和監(jiān)控接口。這些IC，如MAX77801，采用小封裝。

需要多個電源軌

大多數(shù)便攜式設備都很智能。它們配備了某種類型的微控制器和一些傳感器——包括溫度、加速度、方向、生物電勢和陀螺儀。他們可能使用藍牙無線。很可能有一個發(fā)光的液晶觸摸屏。

這意味著您肯定需要多個電源電壓。您可能夢想讓一切都在 1.8V 上運行，但您最終可能會得到至少三個電源軌。幸運的是，有許多具有多輸出的電源 IC 以多通道集成電源管理 IC 的形式非常適合此應用。

單電感器、多輸出 （SIMO） 降壓-升壓穩(wěn)壓器 IC 通常提供三個或四個獨立可編程電源軌輸出，以及一個 150mA 低壓差 （LDO） 線性穩(wěn)壓器，具有高紋波抑制功能，適用于音頻和其他噪聲敏感應用。這種類型的 PMIC 可能具有用于配置和狀態(tài)檢查的 I 2 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 的電流吸收驅(qū)動器輸出。有些專門針對運行 LCD 顯示器。

這些 IC 中的大多數(shù)只需要 μAs 的工作電流。它們的三個或四個降壓-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。而且它們通常占用一個小的 6x5 WLP 封裝（圖 4）。

圖 4. 具有三個輸出的 SIMO 轉(zhuǎn)換器方案。

SIMO 架構(gòu)基本上共享一個電感器。SIMO 有一些取舍。因為單個電感器本質(zhì)上是為交替輸出提供能量桶，所以輸出電壓紋波會有些高。可能需要多一點過濾。電壓精度不會是單個穩(wěn)壓器所能提供的。這些芯片的輸出電壓通常在 0.8V 和 5.25V 之間，精度為 ±2.5%。

SIMO 電源管理 IC 的其他示例具有三個降壓穩(wěn)壓器、三個或四個 LDO 線性穩(wěn)壓器和一個降壓-升壓穩(wěn)壓器，可在一個芯片中提供多達七個穩(wěn)壓電壓。這些 IC 在單個芯片中提供了人們所需的一切，并包括一個 5mA 至 500mA 的電池充電電路。

為便攜式和可穿戴設備進行設計并非易事。保持高效率、低占地面積和低價格是很困難的。但是，最新的轉(zhuǎn)換 IC 可以幫助簡化設計過程，同時使您能夠滿足性能目標。

審核編輯：郭婷