锂离子电池供电便携式产品的降压新器件

锂离子电池供电便携式产品的降压新器件作者：■上海东钜电子有限公司随着便携式产品不断涌现，如PDA、数码相机、MP3等，便携式产品竞争逐渐加强，导致厂商不断增加产品功能，以吸引更多消费者的注意。但是消费者逐渐发现，若采用传统的干电池供电，会受到电池容量的限制，因此便携式产品使用时间和待机时间过短，电池频繁更换，已不能满足用户的需要。电源供电及管理方案成为困扰设计师的一个重要问题。在众多可选的供电方案中，二次锂离子电池由于高能量密度、高输出功率、可快速充电、以及重量轻、体积小和无污染等特性受到了电源设计工程师的青睐。同时，近来锂离子电池的价格迅速下降，在便携式产品中已成为主流的供电产品。对于锂电池，能量的密集区域在3.6V,但通常客户出于充分利用电池能量的考虑，希望利用锂电池工作电压范围为：3.0V～4.2V。当然由于产品的不同，设计的不同会造成所需输出电压的不同，一般在2.7V～3.3V之间，甚至会低至1.8V(如数码相机)，因此对锂电降压/稳压器件产生了需求。另外，便携式产品由于功能增加，其供电电流有逐渐增大趋势。目前产品供电电流已经达到100～500mA甚至更高，如何提高供电效率日益成为电源设计师们需要考虑的问题。传统三端稳压降压器件，因为其端压过高(大于2.5V)，大量的能量被耗散在稳压器件上，而被排除在外。目前设计师在实际电源管理电路中通常会使用两类降压器件：LDO(低压差稳压器)和DC-DC开关式降压器。使用LDO的电源管理方案电源管理电路对于LDO的需求由于LDO为线性降压元件，故供电效率完全取决于其输出电压大小。所以比较适合应用在输出电压相对较高的场合。若以锂电主要供电电压3.6V计，在输出目标电压为3.0V时，其供电效率为：h=3.0V/3.6V*100%=83.3%(1)通过以上计算可以明显看到：输出电压与工作效率成正比，输出电压太低，则大大影响了锂电供电效率。故适合LDO器件良好运作的目标供电电压为3.0V-3.3V的范围。在锂电电压利用率上，则完全取决于LDO最低压差，例如，假设LDO在输出100mA工作电流下，VOUT=3V；a)若LDO最低压差VDROPOUT=0.2V，则LDO能够稳定输出3V时的最低放电电压仅为3.0V+0.2V=3.2V；b)若LDO最低压差为VDROPOUT=0.05V，则LDO能够稳定输出3V时的最低放电电压为3.0V+0.05V=3.05V。比较a)、b)可得，越小压差的LDO越能够延长锂电放电时间。在锂电供电LDO品种选择上，要求LDO具有尽可能小的最低压差，同时因为便携式产品体积限制，要求小封装，且最好具备可关断功能，便于电源管理。同样限于体积，由于LDO本身已具有较大电流负载能力，故不需要采用外接扩流元件。LDO的新技术为了降低耗电，市场上的大多数LDO都具有片选功能，当用户在不需要LDO工作时，可以关闭选通端，以起到省电的效果。但是通常情况下，微处理器通常会有3种模式，即运行、待机和休眠模式。对于早先的LDO来讲，只有开或关两种工作状态无法配合CPU的工作状态。当设备处于待机状态时，系统仍然需要供电，只是需要的电流较小，而且对于便携式产品来讲，待机的时间要大大长于使用时间和关机时间。日本RICOH公司最近发表了一项LDO的新技术：ECO模式。表1是ECO模式的一些详细对照表：从表1可以看出，当CPU进入待机状态后，LDO也可以相应进入ECO模式，此时既维持了系统对于电压的需求，同时又降低了输出电流和纹波抑制比，以降低耗电。此功能对于经常处于待机模式又对节电有极其苛刻要求的便携式产品来讲极为重要。该公司相应推出了两种产品：R1170H和R1160N系列。R1170H为SOT-89封装，100mA下的最小压差为0.03V，具有片选关断功能。R1160N为SOT-23封装，100mA下的最小压差为0.05V；具有ECO待机省电模式控制和片选关断功能。使用开关降压器的电源管理方案对于使用锂电池供电但输出电压低于3V的情况，通过公式(1)可以看出，LDO供电效率急剧下降，已经不再适合应用，此时优势更为明显的是开关降压器。它也要求IC体积小，转换效率高，压差最小。理光相应的产品是R1230D。它的主要特性如下：●IOUT=300mA时，h=94%以上；●封装：SON-8(相当于SOT-23)，内置功率管；●外围元件只需要一电感和电容；●其最低压差更可以低至0.03V；●器件本身开关频率达到800KHz，便于输出电容的小型化选择；●静态电流几乎为0mA。■