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电源开关设计秘笈30例之三.pdf
电源开关设计秘笈 30 例
Robert Kollman
Roger Chan
Alan Hastings
Rich Nowakowski
www.ti.com.cn
2011-3-14
电源开关设计秘笈 30 例 前言
前 言
电源设计一直是工程师面对的一个难题，随着全球节能环保意识的提升， 设计
简捷、高效、轻巧的绿色电源成为工程师的首要任务，为了帮助工程师解决这方面
的难题，现在特别隆重推出大量实用资料供工程师朋友下载，目前推出的一本电子
书叫做《电源开关设计秘笈 30 例》，对电源开关设计技巧做出了详细的说明，相信
一定对工程师朋友们有很大帮助。
《电源开关设计秘笈 30 例》电子书收集了 TI 公司专家撰写的有关电源设计的
30 个秘笈，现特做出合订本，方便工程师朋友进行下载，这 30 个秘笈的最后十个
分别如下：
秘笈 21 如何实现便携式产品电池的物尽其用
秘笈 22 整合与弹性 – 通往最佳电源管理架构之路
秘笈 23 多重转换：冗余电源系统电流限制的一种新方法
秘笈 24 专门针对数字光投影仪而优化的电源设计
秘笈 25 POL 电源设计技术和参考设计
秘笈 26 满足处理器内核电压要求的电源管理
秘笈 27 针对电信系统的电源管理解决方案——提高性能、减低成本，减小尺寸
秘笈 28 可靠的车载电源管理设计
秘笈 29 动态电源路径管理简化了太阳能板对电池的充电
秘笈 30 电源应用的散热仿真
电源开关设计秘笈 30 例 作者简介
作者简介
Robert Kollman 现任 TI 高级应用经理兼科技委员会的资深委员。
他拥有在电源电子领域超过 30 年的工作经验，并为电源电子设计了
从低功耗 (sub-watt) 到超低功耗 (sub- megawatt) 的磁性元件，工
作频率在兆赫兹范围内。Robert 毕业于得克萨斯 A&M 大学 (Texas
A&M University)，获电子工程理学士学位，后又毕业于南卫理公会大
学 (Southern Methodist
Roger Chan 现任 TI 设计工程师，主要负责电源接口和热插拔设
计。Roger 拥有一项专利和 3 项未决专利。他毕业于德克萨斯大
学奥斯汀分校 (University of Texas at Austin)，获电子工程理学士
学位，后又毕业于密歇根大学安娜堡分校 (University of Michigan,
Ann Arbor)，获电子工程硕士学位。
Alan Hastings 现任 TI 高级设计工程师，主要设计针对热插
拔和以太网供电市场的产品。他现为 TI 科学家并拥有 20 多
项专利。Alan 毕业于佛罗里达大学甘城分校 (University of
Florida, Gainesville)。
Rich Nowakowski 现任 TI 高性能模拟产品部 DC/DC 转换器产品营销
经理。他毕业于北达科他州立大学 (North Dakota State University)，获
电子工程理学士学位和工商管理硕士学位。
电源开关设计秘笈 30 例 目录
目 录
秘笈 21 如何实现便携式产品电池的物尽其用 ····················································· 1
秘笈 22 整合与弹性 – 通往最佳电源管理架构之路 ·············································· 5
秘笈 23 多重转换：冗余电源系统电流限制的一种新方法 ································· 14
秘笈 24 专门针对数字光投影仪而优化的电源设计 ·············································· 18
秘笈 25 POL 电源设计技术和参考设计 ······························································· 26
秘笈 26 满足处理器内核电压要求的电源管理 ··················································· 32
秘笈 27 针对电信系统的电源管理解决方案——提高性能、减低成本，减小尺寸 ···
···························································································································· 37
秘笈 28 可靠的车载电源管理设计 ···········································································
抛负载和冷启动问题的解决 ················································································· 45
秘笈 29 动态电源路径管理简化了太阳能板对电池的充电 ··································· 52
秘笈 30 电源应用的散热仿真 ·············································································· 57
www.ti.com.cn
电源开关设计秘笈 30 例 如何实现便携式产品电池的物尽其用
秘笈 21 如何实现便携式产品电池的物尽其用
关键词：便携式，电源管理，降压-升压转换器，线性稳压器
摘要：手机、智能电话、数字媒体播放器或数码相机等便携式产品的设计中正出现
一种增加功能或提升性能的发展趋势。这通常是通过使用一些功能更为强大的处理
器并添加更为复杂的模拟电路来实现，但其结果是使应用电路的功耗更高。通过增
加电池容量可以满足日益增长的功耗需求，但这就需要更大容量的电池或者改进电
池技术。随着许多应用对电流需求的增长，一些线性稳压器已经被更为昂贵却更加
高效的降压转换器取而代之。诸如处理器内核和 I/O 的一些电源轨通常就是这样产
生的。
在许多诸如手机、智能电话、数字媒体播放器或数码相机等便携式产品的设计中正
出现一种增加功能或提升性能的发展趋势。这通常是通过使用一些功能更为强大的
处理器并添加更为复杂的模拟电路来实现，但其结果是使应用电路的功耗更高。通
过增加电池容量可以满足日益增长的功耗需求，但这就需要更大容量的电池或者改
进电池技术。通常，人们不会选择增大电池尺寸，因为外壳尺寸有限。由于当前电
池技术的进步以及新型技术的发展并不能满足相同尺寸水平的高功耗要求，因此需
要更多先进的电源管理电路。与此同时，对小型解决方案的需求使这种挑战变得更
为棘手。
过去，为了获得要求的性能，只需使用数个线性稳压器即可。这些稳压器被直接连
接至电池，以产生要求的系统电压轨。便携式产品中使用的许多电源管理单元只使
用了一些线性稳压器来对功耗进行控制。当时已经运用的典型电池技术为 3 节
NiCd 或 NiMH 电池组。同时，这些化学特性已经几乎全部被单节锂离子电池所取
代，因为这些锂离子电池具有更高的性能。随着许多应用对电流需求的增长，一些
线性稳压器已经被更为昂贵却更加高效的降压转换器取而代之。诸如处理器内核和
I/O 的一些电源轨通常就是这样产生的。
由于线性稳压器和降压转换器仅能在其输入电压较高时对输出端电压进行调节，因
此，如果电池电压降低至已编程的输出电压以下时，那么就需要将该系统关闭。一
个线性稳压器的最小压降裕度或电感和开关上的压降裕度都必须被加到输出电压之
中。因此，对于一个来自一节锂电池的典型 3.3V 电压轨来说，系统关闭的典型电
池电压为 3.4V。当放电至 3.0V 时出现的剩余电量在此情况下将不会被使用到。
测量显示，当前锂离子电池中的剩余电量大约为 10%。这就是说，能够利用这一
剩余电量的任何电源管理解决方案都必须能够在一个高于降压转换器解决方案效率
减去 10% 以后的效率下工作。换句话就是说，任何使用 97% 平均效率的降压转
换器的替代解决方案都必须至少在一个比 87% 更高的平均效率下运行，以延长应
用一次电池充电的运行时间。对于许多降压-升压转换器解决方案来说，这是一个巨
大的挑战。SEPIC 或反向解决方案的一般效率为经济可行解决方案 85% 的最大
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电源开关设计秘笈 30 例 如何实现便携式产品电池的物尽其用
范围。为了获得这一效率，已经考虑使用诸如同步整流的多种提高效率的方法，同
时这种解决方案的尺寸会比降压转换器大。4 开关降压-升压转换中总是有 2 个开
关同时开关，在一个非常优化的解决方案中，使用这种降压转换将会产生同样的效
率 (85%)。因此，从这一角度来看，使用一个降压-升压转换器并不能起作用，也
正由于这个原因人们过去未曾考虑使用这种降压转换器。
但是，还存在一些其他的挑战。例如，手机在数据传输期间使用高电流脉冲来驱动
其 RF-PA。这些脉冲电流可以直接从电池获得，其可引起电池阻抗和电池连接器上
额外的压降。由于低电源电压，这可能会使系统电压监控器在出现电流脉冲时关闭
系统。手机中基于 LED 的照相机闪光灯应用，或在媒体播放器应用中启动硬盘驱
动器，都会在电池上产生类似的影响。由于老化或低温导致电池阻抗的增加使这些
问题变得更为严重。在此情况下，降压-升压转换器可以被用于应对关键系统电压轨
的电压降。这就使系统运行更加稳定可靠，同时其还允许更低的电池电压放电。
除此以外，电池也正在得到改进。通常，增加电池容量会伴随着使用更宽的输出电
压范围。例如，利用未来的锂电池技术，电池可以被充电至高达 4.5V，同时可以
被放电低至 2.3V。取一个中间电压 3.4V，其就可以使电池容量相当大的一部分处
于未使用状态。还有一些正处于开发阶段的电池技术将可以在 3.4V 电压以下出色
地工作（例如：Li-S）。
在此情况下，肯定会需要降压-升压转换。解决这一问题的一种简单方法是，生成一
个较高的系统电压轨（例如：5V），其可以用于生成所有系统电压轨，这些电压轨
高于电池的截止电压。通过使用一个较大的高效升压转换器和级联降压转换器可以
完成这一工作。总电源转换效率可以轻松地达到 90% 以上。不幸的是，更多的升
压转换器需要更多的空间，而在便携式手持设备中通常并不具备这样的空间。
另外一个选项是使用一个降压-升压转换器来直接从电池生成系统电压轨。正如上面
所述，电源转换效率是设计一款具有竞争力电源管理解决方案的关键因素。另一个
重要的因素是解决方案的尺寸。考虑到这一点，基于 SEPIC 或反向拓扑结构的降
压-升压转换解决方案并不适合，因为其需要更多较大体积的无源组件，而且通常效
率较低。一个使用 4 个开关的单电感解决方案具有满足这些要求的最大潜能。但
是，在一个简单驱动器方案中，其在运行中任何时候都有 2 个开关同时在工作，
使用这种解决方案不但牺牲了效率，而且还提高了对于电感和开关尺寸的要求，因
为存在流经这些组件较高的 RMS 电流。仅有源地驱动这些开关的一侧，意味着总
是将该器件以一个降压或升压转换器来运行可以实现最高效率，同时较低的 RSM
电流还带来了最小的解决方案尺寸。在此情况下，降压和升压转换在两种拓扑结构
均具有最高效率的工作点上得到完成。图 1 中效率与升压 (TPS61020) 和降压
(TPS62046) 转换器输入电压曲线的关系实例显示了这一情况。
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图 1 升压 (TPS61025) 和降压 (TPS62046) 转换器效率曲线与输入电压的关系
曲线
图 2 显示了效率与一款诸如 TPS63001 的优化的降压-升压解决方案输入电压的
关系曲线，其显示了这种控制方法的完美实施。
图 2 降压-升压转换器 TPS63000 效率与输入电压的关系曲线
正如前面所预测的那样，当对独立升压和降压转换器的效率曲线进行讨论时，其在
输入和输出电压接近时达到最高效率。由于这是最为可能的降压-升压运行状态，因
此 TPS63001 完美地解决了该应用出现的一些问题。正如我们在图 2 中看到的一
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505560657075808590951001,822,22,42,62,833,23,43,63,844,24,44,64,855,25,45,6Input Voltage [V]Efficiency [%]Step Down ConverterBoost Converter505560657075808590951001,822,22,42,62,833,23,43,63,844,24,44,64,855,25,45,6Input Voltage [V]Efficiency [%]
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样，该优化控制方案可获得临界工作输入和输出电压状态下 95% 范围内的效率。
TPS63001 还可以用于延长由标准锂离子电池供电的应用的运行时间。只要在集成
的安全电路允许的范围，将电池放电至 3.0V 或者甚至 2.5V 时将其完全充电，可
以达到这一目标。图 3 显示了使用 TPS63000 将一节 Li-MnO 电池放电至 2.5V
的电源转换效率。同基于高性能降压转换器的电源解决方案 (TPS62046) 相比，两
个转换器架构均使用相同负载的情况下，电池使用时间可以延长 15%。
图 3 降压-升压和降压转换器在 Li-MnO 放电期间的效率
参考文献：
1. http://focus.ti.com.cn/cn/docs/prod/folders/print/tps62046.html
TPS62046 技术资料和数据表
2. http://focus.ti.com.cn/cn/docs/prod/folders/print/tps63001.html
TPS63001 技术资料和数据表
3. http://focus.ti.com.cn/cn/docs/prod/folders/print/tps61025.html
TPS61025 技术资料和数据表
4. www.ti.com.cn/powermanagement
TI 电源管理解决方案
5. http://focus.ti.com.cn/cn/paramsearch/docs/parametricsearch.tsp?family=anal
og&familyId=752&uiTemplateId=NODE_STRY_PGE_T
TI 升压稳压器
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50556065707580859095100020406080100120140Time [min]Efficiency [%]TPS63001TPS62046
