基于开关电容转换器的降压设计解决方案

介绍

耗电的便携式电子产品正在推动电池容量上升。例如，移动销售点 （POS） 设备内置有集成热敏打印机，这会增加功耗并可能需要更高容量的电池。通过使用更多的电池串联或并联可以获得更高的电池容量。例如，要将容量翻倍，最简单的做法是从一个电池 （1S） 移动到两个并联电池 （2P）。该解决方案使输出功率翻倍，并保持下游电子设备的额定电压，同时增加从电池汲取的电流。但是，在为电池充电时会出现问题，因为标准 USB-C 电缆的额定电流为 3A。为 2P 电池充电需要两倍的电流，这可能会超过 3A 的限制。或者，充电速率可以减半，从而使充电时间增加一倍。

USB Type-C 标准支持 15W、5V、3A 或 25W、5V、5A，带有特殊的电子标记电缆。但特殊电缆既昂贵又不常见，因此支持标准 3A 电缆额定值对于应用来说非常重要。

满足这一限制并增加输出功率的一种方法是使用两个串联（2S）而不是并联的锂电池。可以使用与单节电池相同的电流为两个串联电池充电，并提供双倍的容量。现在的问题是您的低压充电和调节电子设备变得不兼容，您必须购买更高电压的设备才能将 2S 电池连接到您的系统。这种选择可能会在高压设备的可用性方面产生问题，并在库存以及不同额定电压的充电和控制设备的采购方面造成问题。由于数量分布在不同的设备上，它还表现出购买力的损失。或者，可以使用 2:1 降压转换器（图 1）将 2S 电池电压减半，并将其应用于下游低压电子设备。这样，降压转换器可以为现有的 1S 电路供电，同时支持使用 2S 电池。

图1.带有2:1降压转换器的2S低电流电池管理系统

在此设计解决方案中，我们建议使用 2:1 开关电容转换器 （SCC） 作为降压转换器的选择。该 IC 通过将 2S 电池电压转换为 1S 等效输出，简化了向更高电池电压的迁移，并允许设计人员保留现有的下游 1S 电源架构。

为什么选择 SCC？对于降压转换器，首先想到的是基于电感的降压转换器。然而，在像我们这样输入电压与输出电压之比为整数 （2） 的情况下，SCC 表现出更高的效率。与电感降压转换器相比，SCC 还具有更低的开关损耗。在降压转换器中，每个开关阻断全输入电压并支持全输出电流。在 2:1 SCC 中，开关仅阻断一半的输入电压并承载一半的输出电流，从而降低开关损耗。最后，SCC 受益于电容器的能量密度明显高于电感器，从而使 PCB 面积更小1。上述所有因素使 SCC 成为该应用中的理想解决方案。

SCC 运营图 2说明了两阶段 SCC 架构。在第一个周期中，FET S1 和 S2 导通，C FLY1在为负载供电的同时充电。同时，FET S7 和 S8 导通，C FLY2放电以向负载供电。

图 2. 两阶段 SCC 架构的操作。

图 3显示了对应于上述第一个周期的 SCC 波形。

图 3. 两相 SCC 架构的 SCC 波形。

下一个周期与前一个周期完全对称：S1 和 S2 关闭，而 S3 和 S4 开启，C FLY1为负载供电。同时，S7 和 S8 关闭，而 S5 和 S6 开启。C FLY2在为负载供电的同时充电。两相操作降低了输出电容上的纹波。

开关电容转换器例如，MAX77932C是一款带有集成电源开关的两相开关电容转换器，可提供 8A 输出电流并将输入电压进行 2 分压（参见图 4）。该 IC 适用于使用 2S Li+ 电池同时为以 1S 等效电压工作的电路供电的应用。它还适用于从 1S 电池配置迁移到 2S 电池配置的应用，并允许设计人员保留现有的下游 1S 电源架构。

图 4. SCC 框图。

高效率SCC 效率（如图 5所示）在 0.5MHz 开关频率下超过 98%。如此高的效率有助于减少热量损失，并有助于将应用温度保持在“皮肤温度”不适水平以下。

图 5. 2:1 SCC 高效率

凭借如此高的效率，由一个 SCC 和一个低压 （LV） 降压转换器（图 2 中的 LV DC-DC）组成的两级解决方案将胜过单级高压 （HV） 降压转换器。 与 HV 降压转换器相比，LV 降压转换器以更低的开关损耗和更高的占空比运行。表格1代表两阶段解决方案的优势。为了说明 2% 效率优势的影响，以 12V、3A、36W 充电器为例，这是 USB-C PD 应用中常用的功率水平。SCC 解决方案的更高效率可降低约 0.7W 的散热量。在这种情况下，结至环境热阻为 35°/W 的 IC 将在 25°C 的低温下运行，无需任何热管理材料。这种改进的热性能使设备的“皮肤温度”更容易保持在可接受的范围内。

表 1. SCC 优势

拓扑SCC 效率降压效率整体效率

SCC +LV降压～98%～94%～92%

高压降压不适用～90%～90%该 IC 在低电流下也具有出色的效率。图 6显示了 92% 以上的效率，电流在 1mA 至 10mA 范围内。随着便携式设备的待机时间延长，此功能显着延长了电池寿命。

图 6. 轻负载时 2:1 SCC 的高效率

占地面积小该 IC 采用微型无铅 0.4mm 间距、2.4mm x 2.8mm 42 引脚晶圆级封装 （WLP）。小芯片和小无源器件的组合产生的 PCB 占位面积净面积仅为 14.6 mm 2。图 7中的比较显示，与竞争对手的类似解决方案相比，占位面积优势为 27%。

图 7. 27% 的足迹净尺寸优势

结论

便携式设备（如带有热敏打印机的移动销售点系统）不断增加的电力需求正在推高其电池容量。虽然从 1S 配置转变为 2S 配置可以加快充电速度，但它似乎需要更高电压的下游设备。通过使用 2:1 降压转换器将 2S 电池连接到系统，可以保留 1S 下游电路。我们表明，对于这种配置，开关电容转换器 （SCC） 可产生最佳的整体系统效率，并且最适合保留现有的 1S 下游电源架构。

审核编辑：郭婷