同步升压转换器可延长便携式设备中的电池寿命

引言

在便携式设备中，升压型转换器经常被用于从较低的电池输入电压产生较高的输出电压。常见的电池配置包括 2~3 节碱性电池或镍氢 (NiMH) 电池，或者越来越多的是锂离子电池，它们可产生一个介于 1.8V 和 4.8V 之间的典型输入电压。

图 1 中所示的 12V 输出转换器专为依靠任何典型的小型电池电源运行而设计。这款设计以 LTC®3122升压型转换器为中心，该器件能够利用一个 1.8V 至 5.5V 输入产生一个高达 15V 的稳定输出。LTC3122 包含一个 2.5A 内部开关电流限值和一组用于应对苛刻升压应用的完整功能，包括开关频率编程、欠压闭锁、突发模式 (Burst Mode®) 操作或连续开关模式、以及真正的输出断接。集成型同步整流器在电感器电流接近零时关断，因而可防止反向电感器电流并最大限度地减少轻负载时的功率损耗。

图 1：1MHz 工作频率和小型电感器使这款转换器适合于要求苛刻的便携式电池供电型应用

在那些具有长空闲周期的应用中，这种独特的输出断接功能特别重要。当空闲时，该器件可关断，并把输出电容器置于满充电和待用状态以实现快速接通。在停机模式中，此器件从输入电源吸收 <1μA 的电流。

由于便携式设备中所使用的电池通常都是尽可能地小，因此它们在重负载条件下呈现高的内部阻抗，特别是在接近其放电周期末端的时候。与其他需要苦苦应对启动时之高源阻抗的升压型转换器不同，LTC3122 可避免启动时的高浪涌电流。1.8V~5.5V 输入至 12V 输出升压型转换器

图 1 中的电路专为实现高效率和小尺寸而设计。LTC3122 工作于 1MHz 频率以最大限度地减小滤波电容器和升压电感器的尺寸，并在轻负载下采用突发模式操作来保持高效率，如图 2 所示。在负载较重的情况下，该转换器可工作于恒定频率模式，从而降低了输入和输出纹波。恒定频率操作可产生较低的 EMI，而且较容易滤除。

图 2：LTC3122 升压型转换器的高效率延长了便携式应用中的电池寿命

以相对较低的开关频率来运行 LTC3122 可提高效率。图 3 示出了将开关频率从 1MHz 降至 500kHz 所产生的效果。

图 3：工作频率对效率的影响极大。在 100mA 负载条件下，通过把开关频率从 1MHz 降至 500kHz 可以获得 4% 的效率提升通过增大电感器尺寸能够进一步地改善效率。如图 4 所示，用一个 7mm x 7mm 电感器 (由 Wurth 公司提供的 744-777-910) 替代 4mm x 4mm 升压电感器 (XAL4030-472) 可实现效率的提升。10mA 电流条件下的效率达 90%，比图 3 所示的效率高出 5%。

图 4：当采用较低的开关频率和一个较大的电感器时，可使用一个较小的电池。在 1mA 至 10mA 负载范围内，高达 30% 的效率提升幅度 (在 PWM 模式中) 能够显著改善在轻负载下运作的应用。

在考虑电感器尺寸时应兼顾电池尺寸。若使用一个相对较小的电感器在高频运行，则或许导致必需采用一个容量相应较高的电池，以在相对较低的效率下实现相同的运行时间。换句话说，通过采用较小电感器实现的空间节省有可能因为需要使用较大的电池而前功尽弃。

输出断接

由于升压二极管的原因，典型的升压型转换器不能将输出与输入断接。电流始终通过电感器和升压二极管从输入端流到输出端。因此，输出不能短路或与输入断接，这一点在许多应用中都是一个重大的问题，在停机模式中尤其如此。与此不同，LTC3122 包括一个内部开关，此开关可将升压 MOSFET 体二极管与输出断接。这还在接通时提供了浪涌电流限制作用，从而最大限度地减小了输入电源所承受的浪涌电流。如图 5 所示，LTC3122 的输出在停机模式中断接。在停机之后输出电压被负载拉至零，并且 LTC3122 的消耗电流小于 1μA。

图 5：接通时的浪涌电流限制可最大限度地减小输入电源所承受的浪涌电流。在停机期间使输出与输入断接。

启动浪涌电流限制

为了模拟真实的电池供电型应用，对图 1 中的电路进行了测试，测试的方法是在电源与 LTC3122 电路之间布设一个 1Ω 的等效串联电阻 (ESR)。当 LTC3122 被使能时，其将控制启动操作以使输入电源能够把输出电压轨升举至稳压值。输入电流缓慢地斜坡上升。给输出电容器充电所需的输入电流过冲被限制在仅为 200mA，而且输入电源电压降被限制为 0.5V，如图 5 所示。

结论

LTC3122 升压型转换器可满足那些要求低待机静态电流和高效率之电池供电式应用的需要。与其他许多升压型转换器不同，该器件拥有诸多特性，可在电池 ESR 变至高时采用接近完全放电的电池实现运作。其非常低的静态和停机电流与输出断接功能相组合，可在具有长空闲周期的应用中延长电池的运行时间。LTC3122 包括一组面向高性能电池供电型应用的完整功能，并采用小外形的耐热性能增强型 3mm x 4mm 封装。