降压-升压为带备用电池的系统提供高功率密度和更高的系统效率

配备关键通信功能的系统可能会配备备用电池，以防发生任何停电或故障，以确保连续运行。其中许多系统正在赶上USB C趋势来接收和提供电源。宽系统输入电压可在 12V 至 2.7V 之间变化，具体取决于备用电池的化学成分和配置。考虑到如此宽的输入电压范围，电源架构可能相当复杂。在此设计解决方案中，我们展示了小型单芯片降压-升压转换器如何通过提供更高的功率、优化解决方案尺寸和系统效率来简化系统电源设计。

介绍

配备关键通信功能的系统利用备用电池在任何断电或故障期间保持通信。这种方法广泛应用于安防和智能家居监控面板（如图1所示）、专业平板电脑、移动支付终端等。一些由交流适配器供电的系统正在转向 USB C 电源，因为新设计转向通用且可互换的 USB C 适配器以实现灵活性。利用USB C作为输入电源，12V是为整个系统供电的最常见实现方式。备用电池可能变化很大，但单节或双节锂离子或三到四节碱性/镍氢电池使用最广泛。这意味着当系统从备用电池获取电源时，输入电压可低至2.7V。总体而言，上述系统的输入电压范围很宽，为2.7V至12V。

这些系统中内置的关键通信模块也可能有很大差异，包括但不限于蓝牙、Wi-Fi 和长期演进 （LTE）。虽然通信模块不同，但它们通常需要3.3V至3.6V的功率，电流范围从几十毫安到几百毫安不等。某些系统带有需要 5V 电源的扬声器。可能还有一个需要 5V 的下游 USB 端口，并且根据法规，需要高达 2.4A 的电源。如果系统实现 USB C 端口并采用 USB C 供电 （PD） 标准，则 USB C 端口可能需要更高的电压（例如 9V）和高达 3A 的电流。

在 2.7V 至 12V 如此宽的输入电压范围内，使用多个降压和升压转换器产生一致的 5V 和 3.3V 输出似乎微不足道。但是，当考虑需要优化系统效率以延长电池寿命时，当外形尺寸成为限制时，电源设计的复杂性会增加，尤其是在涉及USB C PD时。

USB Type-C PD 规范允许将充电电压提高到 20V，电流增加到 5A，最大功率为 100W。对于笔记本电脑以外的便携式设备，18W （9V/2A） 提供快速充电，让用户随时随地使用。USB C PD规范为电源设计增加了另一层复杂性，因为需要考虑额外的高达2A的9V电源轨。

本设计解决方案讨论了降压-升压转换器如何简化前面描述的此类系统的电源设计，以及它如何支持在USB C端口增加9V、2A和18W功能，并介绍了一种新颖的高度集成、高效率电源管理实现。

典型电源系统

图 2 显示了系统完全配备 USB 端口、扬声器、LTE 和 Wi-Fi 的典型电源设计。

由于输入电压范围较宽，因此下游降压转换器需要中间总线电压。这可以通过旁路升压转换器来实现。当存在适配器电压时，升压转换器进入旁路模式，中间总线是适配器电压，下游降压转换器产生5V和3.6V。当适配器电源缺失且备用电池正在使用时，升压转换器将电池电压升压至计算电压，以便降压转换器可以在其占空比限制内工作。

虽然这种架构支持所有电源要求，但它远非高效，更不用说高成本的BOM和大PCB尺寸了。两级电源转换，先升压后降压，系统效率低。在这种情况下，假设升压转换器的效率为90%，降压转换器的效率为93%，则系统总效率为83.7%。低系统效率在使用时会耗尽备用电池，为了在停电期间保持运行，需要更大的电池容量，这反过来又增加了系统尺寸和成本。除了系统效率低之外，还需要四组具有大量外部元件的DC-DC转换器，因此需要额外的PCB空间和成本。随着系统功率需求的增加，升压转换器产生的功率也会增加，因此需要更大的电感。

图2.具有 USB 端口、扬声器、LTE 和 Wi-Fi 的典型电源解决方案。

分立式高功率供电解决方案

随着USB C和USB PD的趋势，一些设计可能会实现下游USB C端口，并提供USB PD功能，以便为图3所示的外设快速方便地充电。

图3.典型的电源解决方案，带有支持 USB PD、扬声器、LTE 和 Wi-Fi 的 USB C 端口。

在设计中（图3），为了适应USB PD动态电压变化，需要一个带DVS的降压-升压转换器。这会将USB端口发电与先前独立生成的中间总线分开。由于降压-升压的输出不是固定的，因此将分立式或低积分降压-升压解决方案与专用的降压-升压控制器一起使用。这种方法提供并满足USB C PD的要求，但是由于集成度低，它将占用大量的PCB空间。图4显示了需要63mm有效PCB面积的低集成度降压-升压设置2，不考虑其他外部组件，这使得解决方案尺寸更大。

图4.低集成度降压-升压电源解决方案PCB尺寸（63mm2活动区域）

集成式大功率供电解决方案

图5所示为高度集成的解决方案，其中控制器、驱动器和MOSFET集成在单个IC MAX77831上。MAX77831将典型的两级（升压后降压）设计转换为单级转换，提供高效率，支持5V扬声器、3.6V LTE和Wi-Fi。对于5V输出，MAX77831可提供92.8%的效率，比83.7%的两级效率高9%。通过我2C通信时，MAX77831可提供高达18W的动态降压-升压输出，以支持下游USB C端口的USB PD功能。如前所述，18W 足以为包括智能手机在内的绝大多数外围设备快速充电。

图5.高度集成的电源解决方案，具有支持 18W USB PD、扬声器、LTE 和 Wi-Fi 的 USB 端口。

图 6 显示了新的 PCB 尺寸。在这种情况下，有效面积减少到21.9mm2，节省61%！该解决方案还将外部元件数量减少了50%，从而进一步减小了解决方案的尺寸和成本。

图6.高度集成的电源解决方案PCB尺寸（21.9mm2活动区域）。

集成降压-升压转换器

图7所示的MAX77831单芯片降压-升压转换器为高效率、高性能稳压器，适用于需要宽输入电压范围（2.5V至16V）的系统。它允许系统通过I动态改变输出电压和负载电流容量2C 接口。它支持标准的 5V USB VBUS 要求以及 9V 一直到 15V，总连续功率为 18W。

图7.高度集成的电源解决方案应用示意图。

板载低RDSON N沟道MOSFET晶体管的集成确保了卓越的效率。在图8中，与竞争对手的解决方案相比，该IC在大多数工作范围内显示出效率优势，在满载时具有整整3分的优势。此外，该 IC 能够以更高的输出功率和更高的效率超越竞争对手，真正优化任何给定设计的功率密度。

图8.功率和效率竞争优势。

降压-升压操作平稳，从一种模式到另一种模式几乎无缝过渡。图9显示了小的升压-降压转换过冲（+110mV）和降压-升压下冲（-100mV）。

图9.平稳的降压-升压转换。

结论

连接设备继续激增到各个细分市场，许多设备由带有备用电池的适配器供电，以在停电期间保持系统运行。该设计方案回顾了典型的两级电源转换、PCB空间大以及由于集成度低而导致成本高的缺点。随后，它表明MAX77831单芯片降压-升压转换器是应对12V至2.7V（备用电池）如此宽输入电压范围的最佳电源方案，优化了系统效率，从而延长电池寿命，减小PCB尺寸，降低BOM成本。

审核编辑：郭婷