在本設(shè)計(jì)解決方案中，我們討論了在電池供電設(shè)備中提高電池容量的同時(shí)保持鋰離子（Li）單節(jié)電源架構(gòu)的挑戰(zhàn)。對(duì)于更高效的電池系統(tǒng)，我們提出了一種2：1降壓轉(zhuǎn)換器，可以保留現(xiàn)有的下游1S電源架構(gòu)，而無(wú)需更高的電池充電電流。隨后，我們展示了開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器（SCC）是最佳的降壓轉(zhuǎn)換器解決方案，因?yàn)樗哂懈咝屎偷?a target="_blank">PCB尺寸。

介紹

耗電的便攜式電子產(chǎn)品正在推動(dòng)電池容量上升。例如，移動(dòng)銷售點(diǎn) （POS） 設(shè)備采用集成熱敏打印機(jī)構(gòu)建，這會(huì)增加功耗，并且可能需要更高容量的電池。通過(guò)使用更多的串聯(lián)或并聯(lián)電池來(lái)獲得更高的電池容量。例如，要使容量翻倍，最簡(jiǎn)單的方法是從一個(gè)電池（1S）移動(dòng)到兩個(gè)并行電池（2P）。該解決方案使輸送功率加倍，并保持下游電子設(shè)備的額定電壓，同時(shí)增加從電池汲取的電流。但是，為電池充電時(shí)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)USB-C電纜的額定電流為3A。為 2P 電池充電需要兩倍的電流，這可能會(huì)超過(guò) 3A 限制。或者，充電速率可以減半，導(dǎo)致充電時(shí)間增加一倍。

USB Type-C 標(biāo)準(zhǔn)支持 15W、5V、3A 或 25W、5V、5A，帶有特殊的電子標(biāo)記電纜。但特殊電纜既昂貴又不常見，因此應(yīng)用支持標(biāo)準(zhǔn) 3A 電纜額定值非常重要。

滿足此約束并增加輸出功率的一種方法是使用兩個(gè)串聯(lián)（2S）而不是并聯(lián)的Li+電池。兩個(gè)串聯(lián)電池可以使用與單電池方案相同的電流充電，并提供雙倍的容量?，F(xiàn)在的問(wèn)題是您的低壓充電和調(diào)節(jié)電子設(shè)備變得不兼容，您必須購(gòu)買更高電壓的設(shè)備才能將 2S 電池連接到您的系統(tǒng)。這種選擇可能會(huì)在高壓設(shè)備的可用性方面產(chǎn)生問(wèn)題，并在庫(kù)存和不同額定電壓的充電和控制設(shè)備的采購(gòu)中帶來(lái)問(wèn)題。由于不同設(shè)備上的交易量分散，它還會(huì)帶來(lái)購(gòu)買力的損失。

或者，可以使用2：1降壓轉(zhuǎn)換器（圖2）將2S電池電壓減半，并將其應(yīng)用于下游低壓電子設(shè)備。這樣，降壓轉(zhuǎn)換器可以為現(xiàn)有的1S電路供電，同時(shí)支持使用2S電池。

圖2.2S低電流電池管理系統(tǒng)，帶2：1降壓轉(zhuǎn)換器。

在此設(shè)計(jì)解決方案中，我們建議使用2：1開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器（SCC）作為首選的降壓轉(zhuǎn)換器。該 IC 通過(guò)將 2S 電池電壓轉(zhuǎn)換為 1S 等效輸出，簡(jiǎn)化了向更高電池電壓的遷移，并允許設(shè)計(jì)人員保留現(xiàn)有的下游 1S 電源架構(gòu)。

為什么選擇SCC？

對(duì)于降壓轉(zhuǎn)換器，首先想到的是基于電感的降壓轉(zhuǎn)換器。然而，在像我們這樣輸入電壓與輸出電壓之比為整數(shù) （2） 的情況下，SCC 表現(xiàn)出更高的效率。與電感式降壓轉(zhuǎn)換器相比，SCC 還具有更低的開關(guān)損耗。在降壓轉(zhuǎn)換器中，每個(gè)開關(guān)阻斷全輸入電壓并支持全輸出電流。在 2：1 SCC 中，開關(guān)僅阻斷一半的輸入電壓并承載一半的輸出電流，從而降低了開關(guān)損耗。最后，SCC受益于電容器比電感器更高的能量密度，從而減小了PCB面積1.上述所有因素使SCC成為此應(yīng)用的理想解決方案。

鱗狀細(xì)胞癌操作

圖 3 說(shuō)明了兩相 SCC 架構(gòu)。在第一個(gè)周期中，F(xiàn)ET S1 和 S2 導(dǎo)通，C飛行1在提供負(fù)載時(shí)充電。同時(shí)，F(xiàn)ET S7 和 S8 導(dǎo)通，C飛行2放電以供應(yīng)負(fù)載。

圖3.兩相 SCC 架構(gòu)的操作。

圖4顯示了與上述第一個(gè)周期相對(duì)應(yīng)的SCC波形。

圖4.兩相 SCC 架構(gòu)的 SCC 波形。

下一個(gè)周期與前一個(gè)周期完全對(duì)稱：S1 和 S2 關(guān)閉，而 S3 和 S4 打開，C飛行1提供負(fù)載。同時(shí)，S7 和 S8 關(guān)閉，而 S5 和 S6 打開。飛行2在充電的同時(shí)也提供負(fù)載。兩相操作可降低輸出電容器上的紋波。

開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器

例如，MAX77932C為兩相開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器，集成電源開關(guān)，提供8A輸出電流，輸入電壓被二分頻（見圖5）。該 IC 適用于使用 2S Li+ 電池，同時(shí)為在 1S 等效電壓下工作的電路供電的應(yīng)用。它還適用于從 1S 電池配置遷移到 2S 電池配置的應(yīng)用，并允許設(shè)計(jì)人員保留現(xiàn)有的下游 1S 電源架構(gòu)。

圖5.SCC 框圖。

高效率

如圖6所示，在0.5MHz開關(guān)頻率下，SCC效率超過(guò)98%。這種高效率有助于減少熱損失，并有助于將應(yīng)用溫度保持在“皮膚溫度”水平以下。

圖6.2：1 SCC 高效率。

憑借如此高的效率，由一個(gè)SCC和一個(gè)低壓（LV）降壓轉(zhuǎn)換器（圖2中的LV DC-DC）組成的兩級(jí)解決方案將戰(zhàn)勝單級(jí)高壓（HV）降壓轉(zhuǎn)換器。與高壓降壓轉(zhuǎn)換器相比，低壓降壓轉(zhuǎn)換器具有更低的開關(guān)損耗和更高的占空比。表 1 顯示了兩階段解決方案的優(yōu)勢(shì)。為了說(shuō)明2%效率優(yōu)勢(shì)的影響，請(qǐng)考慮12V、3A、36W充電器的情況，這是USB-C PD應(yīng)用中常用的功率電平。SCC解決方案的效率更高，散熱量降低約0.7W。在這種情況下，結(jié)環(huán)境熱阻為35°/W的IC將在沒(méi)有任何熱管理材料的情況下以25°C的溫度運(yùn)行。這種改進(jìn)的熱性能使得更容易將設(shè)備的“皮膚溫度”保持在可接受的范圍內(nèi)。

該 IC 在低電流下還具有出色的效率。圖7顯示效率高于92%，電流范圍為1mA至10mA。由于筆記本電腦在待機(jī)狀態(tài)下花費(fèi)的時(shí)間更長(zhǎng)，此功能可顯著延長(zhǎng)電池壽命。

圖7.輕負(fù)載時(shí) 2：1 SCC 高效率。

占地面積小

該 IC 采用纖巧、無(wú)鉛 0.4mm 間距、2.4mm × 2.8mm 42 引腳晶圓級(jí)封裝 （WLP）。小芯片和小無(wú)源器件的組合使PCB占位面積僅為14.6 mm2.圖 8 中的比較顯示，與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的類似解決方案相比，占位面積優(yōu)勢(shì)為 27%。

圖8.27% 的占地面積凈規(guī)模優(yōu)勢(shì)。

結(jié)論

便攜式設(shè)備（如帶有熱敏打印機(jī)的移動(dòng)銷售點(diǎn)系統(tǒng)）的功率需求不斷增加，正在推動(dòng)其電池容量的上升。雖然從 1S 配置遷移到 2S 配置可以實(shí)現(xiàn)更快的充電速度，但它似乎需要更高電壓的下游設(shè)備。通過(guò)使用 2：1 降壓轉(zhuǎn)換器將 2S 電池連接到系統(tǒng)，可以保留 1S 下游電路。我們表明，對(duì)于這種配置，開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器（SCC）產(chǎn)生最佳的整體系統(tǒng)效率，最適合保留現(xiàn)有的1S下游電源架構(gòu)。

審核編輯：郭婷