充电泵和开关式调整器在电池供电系统应用中的选择策略
发布时间:2008/5/27 0:00:00 访问次数:507
    
    
    以电池为电源的小型系统经常需要多种直流电压。比如,传呼机中的1.5v单节电池电压必须转换为接收器、逻辑电路及显示器所需的其它电压。充电泵在低电流(<100ma)应用中表现出超过开关式转换器的一些极富吸引力的优势。对于习惯选择开关式调整器的设计师,也许应该仔细考虑一下充电泵,本文就开关式调整器、充电泵和调整型充电泵三种方案作出比较和分析。
    
    
    
    
    图1分别为基于电感的开关式调整器、无调整电容式充电泵转换器以及调整型充电泵转换器的简单原理框图。三个电路的工作过程均为:首先贮存能量,然后以受控方式释放能量,以获得所需的输出电压。开关式调整器采用电感来贮存能量,而充电泵采用电容。
    最佳的直流-直流转换器应该以最低的安装成本满足系统的所有要求。要满足这些要求,转换器必须具备一系列特定的特性,它们通常包括:效率高、安装尺寸小、静态电流低、最小工作电压较低、噪声小、功能集成度高、足够的输出调整能力和安装成本低。
    转换效率方面的比较
    1. 开关式调整器
    大多数以电池为电源的低成本开关调整器的电源转换效率通常为80-85%。损耗主要来自外部二极管和调制器开关中的功率耗散(图1)。
    2. 无调整充电泵
    基本型充电泵(比如tc7660h)具有极高的电源转换效率(通常90%以上)。这是由于损耗主要来自电容的esr和内部开关晶体管的rdson。二者均可达到很低的指标。
    3. 调整型充电泵
    调整型充电泵(图1)是在基本型充电泵的输出端增加一低压降线性后端调整器。它提供了调整能力,但也增加了功率耗散,从而使效率降低。为达到最高效率,充电泵的输出应该与后端调整器的输出电压尽量接近。
    4. 最佳选择
    在输出调整要求不高时可选择无调整充电泵;如果后端调整器两端的压差不大,可选择调整型充电泵。
    安装尺寸方面的比较
    1. 开关式调整器
    虽然许多新型开关式调整器采用sot封装,但他们仍需要一只体积通常较大的外部电感。开关式调整器本身的电路布局有时占用额外的线路板空间(额外的去耦、特殊接地及屏蔽等)。
    2. 充电泵
    充电泵是无须电感的,但需要外部电容。新型充电泵采用sop封装,并工作于较高的频率,因此可使用小型电容(1μf),使空间占用最小。基本型充电泵转换器可对输入电压进行反相、倍压或降压。某些情况下,充电泵ic与外部电容合占的空间比开关式调整器的电感还要小!由充电泵同时生成正压和负压输出也更为容易。类似tcm680这样的器件仅用外部电容即可提供±2倍的输出电压。而开关式调整器要获得同样的输出电压则需两个单独的转换器,或者用一个转换器,但拓扑结构相当复杂而且必须采用一只变压器。
    3. 调整型充电泵
    增加分立的后端调整器占用更多空间,不过此类调整器很多采用sot封装,从而缓解了这一问题。新型调整型充电泵,如tcm850,在一个8引脚soic封装中集成了充电泵、可调式后端调整器和关机控制电路。
    4. 最佳选择
    无调整充电泵或调整型充电泵。
    静态电流方面的比较
    1. 开关式调整器
    频率调制(pfm)开关式调整器是静态电流最小的开关式拓扑结构之一。频率调制的电压调整器在负载电流较小时供电电流最小。
    2. 无调整充电泵
    充电泵的静态电流与工作频率成正比。多数新型充电泵工作在150khz以上,从而可使用1μf(甚至更小)的电容。为克服因此而带来的静态电流较大的问题,某些充电泵具有关闭控制端,可在长时间待机状态下关闭充电泵,使供电电流近乎为0。
    3. 调整型充电泵
    后端调整器增加了静态电流,因此调整型充电泵在该方面甚至比基本型充电泵还要差。
    4. 最佳选择
    开关式调整器(特别是频率调制(pfm)开关调整器)。
    最小工作电压比较
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    以电池为电源的小型系统经常需要多种直流电压。比如,传呼机中的1.5v单节电池电压必须转换为接收器、逻辑电路及显示器所需的其它电压。充电泵在低电流(<100ma)应用中表现出超过开关式转换器的一些极富吸引力的优势。对于习惯选择开关式调整器的设计师,也许应该仔细考虑一下充电泵,本文就开关式调整器、充电泵和调整型充电泵三种方案作出比较和分析。
    
    
    
    
    图1分别为基于电感的开关式调整器、无调整电容式充电泵转换器以及调整型充电泵转换器的简单原理框图。三个电路的工作过程均为:首先贮存能量,然后以受控方式释放能量,以获得所需的输出电压。开关式调整器采用电感来贮存能量,而充电泵采用电容。
    最佳的直流-直流转换器应该以最低的安装成本满足系统的所有要求。要满足这些要求,转换器必须具备一系列特定的特性,它们通常包括:效率高、安装尺寸小、静态电流低、最小工作电压较低、噪声小、功能集成度高、足够的输出调整能力和安装成本低。
    转换效率方面的比较
    1. 开关式调整器
    大多数以电池为电源的低成本开关调整器的电源转换效率通常为80-85%。损耗主要来自外部二极管和调制器开关中的功率耗散(图1)。
    2. 无调整充电泵
    基本型充电泵(比如tc7660h)具有极高的电源转换效率(通常90%以上)。这是由于损耗主要来自电容的esr和内部开关晶体管的rdson。二者均可达到很低的指标。
    3. 调整型充电泵
    调整型充电泵(图1)是在基本型充电泵的输出端增加一低压降线性后端调整器。它提供了调整能力,但也增加了功率耗散,从而使效率降低。为达到最高效率,充电泵的输出应该与后端调整器的输出电压尽量接近。
    4. 最佳选择
    在输出调整要求不高时可选择无调整充电泵;如果后端调整器两端的压差不大,可选择调整型充电泵。
    安装尺寸方面的比较
    1. 开关式调整器
    虽然许多新型开关式调整器采用sot封装,但他们仍需要一只体积通常较大的外部电感。开关式调整器本身的电路布局有时占用额外的线路板空间(额外的去耦、特殊接地及屏蔽等)。
    2. 充电泵
    充电泵是无须电感的,但需要外部电容。新型充电泵采用sop封装,并工作于较高的频率,因此可使用小型电容(1μf),使空间占用最小。基本型充电泵转换器可对输入电压进行反相、倍压或降压。某些情况下,充电泵ic与外部电容合占的空间比开关式调整器的电感还要小!由充电泵同时生成正压和负压输出也更为容易。类似tcm680这样的器件仅用外部电容即可提供±2倍的输出电压。而开关式调整器要获得同样的输出电压则需两个单独的转换器,或者用一个转换器,但拓扑结构相当复杂而且必须采用一只变压器。
    3. 调整型充电泵
    增加分立的后端调整器占用更多空间,不过此类调整器很多采用sot封装,从而缓解了这一问题。新型调整型充电泵,如tcm850,在一个8引脚soic封装中集成了充电泵、可调式后端调整器和关机控制电路。
    4. 最佳选择
    无调整充电泵或调整型充电泵。
    静态电流方面的比较
    1. 开关式调整器
    频率调制(pfm)开关式调整器是静态电流最小的开关式拓扑结构之一。频率调制的电压调整器在负载电流较小时供电电流最小。
    2. 无调整充电泵
    充电泵的静态电流与工作频率成正比。多数新型充电泵工作在150khz以上,从而可使用1μf(甚至更小)的电容。为克服因此而带来的静态电流较大的问题,某些充电泵具有关闭控制端,可在长时间待机状态下关闭充电泵,使供电电流近乎为0。
    3. 调整型充电泵
    后端调整器增加了静态电流,因此调整型充电泵在该方面甚至比基本型充电泵还要差。
    4. 最佳选择
    开关式调整器(特别是频率调制(pfm)开关调整器)。
    最小工作电压比较
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