同步开关稳压器如何影响电池寿命

如果你问一个典型的手机用户哪个更重要，一次充电能够连续通话更长时间，或者在待机几天后剩余一定百分比的电池电量来快速通话，我怀疑两者都会被认为是重要的。毕竟，效率是现代节能电源设计的口号，但轻负载或待机条件下的效率变化会影响便携式设备的电池充电可用性，对用户同样重要。

在这两种情况下，为电子设备供电的 DC-DC 转换器不会耗尽便携式设备中的电池，这可能会产生重大影响。一个简单的设计可能在满载时具有良好的95%或更高的标题转换效率，但待机损耗可能会有很大差异，直接影响您的手机在几天不充电后进行紧急呼叫的可用性。在DC-DC中，在轻负载下，损耗往往是固定值，与实际负载功率无关，通常来自“内务管理”功能或功率MOSFET栅极的充电和放电，与它们是否通过漏极电流无关。这些条件下的效率应该尽可能高，但实际数字没有那么有意义;如果您的待机负载为1mW，固定转换损耗为1mW，您可能会很高兴，即使效率仅为50%。

不过，固定损失的绝对值很重要;在系统层面，如果将其减半至0.5mW，手机中的通话时间可能仅改善几秒钟，但可能会使以天为单位的待机可用时间增加一倍。降低空载和待机损耗的努力当然是值得的。

同步是必经之路

当然，便携式设备中的“降压”转换器通常需要使用“同步整流”的最佳技术来实现高效率。降压转换器由一个串联开关SW1组成，SW<>将电流脉冲传递到电感器，第二个开关允许连续电流在串联开关关闭时流向输出。脉宽调制以及电感和后续电容器的平均效应可降压并调节输出电压。

图1.降压转换器外形

用于第二个开关SW2的“飞轮”二极管是一种简单的解决方案，通过“换向”在正确的时间自动导通，当串联开关关闭时，电感中存储的能量的作用导致二极管的正向偏置。但是，二极管具有显著的正向压降，在部分开关周期内与负载串联。如果负载电压较低，该二极管压降在总压降中占很大比例，导致效率低下。在高输入电压下，当二极管在开关周期中的导通时间较长时，效果更差。即使是肖特基二极管也很难在较高电流下提供体面的效率水平，因为其压降增加到与标准快速恢复类型相似的水平。

用受控开关代替二极管，称为“同步整流”，只要开关接近理想且压降很小，始终是最佳解决方案。早期电路使用击败二极管的双极晶体管，但需要复杂的、耗电的电流驱动电路来抵消所获得的优势，特别是在轻负载下。

进入MOSFET作为开关，它需要的驱动功率要少得多。高 Rds（on） 数字最初意味着，在较高电流下，它们的压降与二极管相当，但随着技术发展到亚毫欧级器件，它们已经独树一帜（图 2）。

图2.场效应管同步整流器

现在很容易实现高负载下的高效率，但那些站立损耗仍然需要注意。例如，现代降压控制器的工作频率可能为 3MHz，但对于总栅极电荷仅为 15nC 的器件，只需以这种速度在 1 至 <> V 之间切换 MOSFET 栅极，就会耗散 <>mW。功率不被栅极本身消耗，它耗散在驱动器和串联栅极电阻中，并且与脉冲占空比无关。鉴于转换器中至少有两个开关，问题很明显。

PFM 或“脉冲跳跃”有助于减少待机损耗

在轻负载下，降压转换器无需在高频下工作;所需的能量可以通过低重复率的短脉冲提供。通过强制这样做，可以显著降低固定开关损耗 - 功耗与开关事件数或每秒栅极充电/放电周期成正比。控制器有效地进入“恒定导通时间，可变关断时间”模式。在最轻的负载下，关断时间可能很长，因此实际上在一段时间内禁用某些控制器内部电路是可行的，因为它无关紧要，从而节省更多功率。

在轻负载时禁用同步整流

同步整流具有双向导通的优点，可在任何负载下提供连续电感电流（CCM），这有助于环路补偿设计。不过，故意禁止同步MOSFET在轻负载下传导反向电流，迫使转换器进入非连续导通模式（DCM），这可能是一个优势。如果能够保持环路稳定性，则净损耗可以更低，因为MOSFET在开关周期的较小部分导通。如果转换器处于脉冲跳跃模式，增益会更静止。图 3 显示了您将看到的波形。

图3.不同的降压转换器开关模式

Maxim MAX17501控制器是集成这些特性的器件的一个很好的例子。该器件可提供 500mA 负载电流，峰值效率优于 90%，输入电压高达 60V，固定输出为 3.3V 或 5V。脉冲频率模式的电流小于约60mA，零负载时，开关电流在100°C时降至20μA以下。 相比之下，如果可选择在空载时强制固定频率PWM，则电流消耗将接近5mA。在某些应用中，您可能希望忍受这种情况，以保持开关频率恒定和噪声水平更可预测。

审核编辑：郭婷