可攜式裝置電壓求穩 雙輸入電源應具備逆向電流阻隔功能

2004-10-28
現代可攜式電子設備通常需要和電腦系統互傳資料,最常見的例子是網路音訊播放機和數位相機,它們都必須傳輸龐大的圖片或音訊資料...
現代可攜式電子設備通常需要和電腦系統互傳資料,最常見的例子是網路音訊播放機和數位相機,它們都必須傳輸龐大的圖片或音訊資料,使用這些設備的人都知道這些傳輸動作會消耗大量電力。  

為了不需依賴外接電源或充電裝置,許多這類裝置會由鹼性電池之類的一次性電池提供電力,所以在產品使用過程中,電池電力是否耗盡就成為使用者的關心重點之一。  

為了應付資料傳送時的大量電力需求,許多產品會使用外接式電源供應器,透過單獨的插座連接,它們必須在電池電壓工作範圍內提供穩定的電壓輸出,同時會有一個開關,用來選擇將內部直流轉換器連接至電池或是外接電源供應器,這種做法很簡單,但需要穩壓特性良好的外接電源供應器。受到開關的影響,從電池切換到外接電源供應器的過程通常不會很平順,直流轉換器輸入電壓下降所導致電壓不足的風險總是存在。  

許多這類可攜式裝置使用3.0V至3.3V系統電源,此時若以2顆鹼性電池或1顆鋰離子電池供電,升壓轉換就有其必要。簡單的升壓轉換器雖然常被使用,但它們多半無法提供低於輸入電壓的穩壓輸出;外接式電源供應器或其它電源供應都必須滿足嚴苛的輸出電壓要求,這些輸入的電流需求也很大,因為它們的電壓通常都很低。  

以外接式或USB為主要供電方式  

這類可攜式裝置可使用標準的外接式電源供應器,但是它們的輸出電壓誤差範圍通常相當大。USB連線供電是另一種可能電源,因為它常用於資料傳輸,應用裝置也總是會使用這類連線。它在正常情形下能提供500mA電流,電壓範圍則在4.2V和5V之間。由於USB和外接電源供應器通常會直接使用交流式電做為輸入,因此通常電源轉換器的效率在此並不是太重要,散熱問題反倒是唯一需要考慮的因素。  

雖然USB電源通常取自於使用交流式電的電源供應器,但是USB連線所能供應的最大電流卻有其限制。標準USB裝置有兩個電流限制值,第一個是 100mA,這個電流隨時都能供應;第二個則是500mA,它只有在主機同意下才能供應,這表示應用裝置和主機之間需要某種協商程序,通常這是由USB控制器負責完成。  

如果USB線路並未連接,USB控制器就不需要任何電源,系統中也不應有任何路徑為其提供電源,無論是經由穩壓線路由或寄生元件。  

逆向電流也可能使電池發生問題。一次電池(primary cell)多半要避免逆向電流,不過一般小於0.01C的電流是在容忍範圍內。想提供高於輸入電源的輸出電壓,升壓轉換器是成本最低的轉換器架構,它們可以是採用蕭特基二極體整流器的非同步轉換器,或者是使用MOSFET整流器的同步轉換器。  

對於輔助電源輸入,線性穩壓器就已足夠。它們更簡單又便宜,但是效率通常較低,不過這並不重要,因為可供使用的電力非常充裕。  

讓不同的電源輸入使用不同的轉換器,這種做法可協助滿足不同的輸入要求,例如需要高效率時就由升壓轉換器提供電源,效率不重要時則使用降壓轉換,設計人員只需以正確方式將轉換器的輸出端連接在一起即可。要將轉換器的輸出端連接在一起,這些轉換器必須在輸出端出現其它電壓時仍能正常工作。為了得到穩定的系統電源,轉換器的控制迴路不應彼此干擾。要管理不同輸出電壓的優先順序,最簡單方法是視何種電源可供使用或是電力來自何處,然後啟動它們各自的功率電路。  

逆向電流阻隔功能可確保使用安全  

為了安全和效率原因,兩個轉換器都不應允許逆向電流。如前所述,電流流回到一次電池可能會造成問題,這不僅會浪費電力,還可能導致安全方面的問題;若電流太大,電池甚至可能爆炸,因此高效率的直流轉換器若使用電池來產生系統電源,它就必須提供逆向電流阻隔功能。使用內建蕭特基二極體的非同步升壓轉換器在高溫時可能會出問題,因為屆時將有很大的逆向電流通過二極體,而圖1是非同步升壓轉換器的量測結果。  

輔助電源輸入則比較沒有安全方面的問題,只不過在電路不需要時繼續提供電源仍算是浪費電力,因此這裡最好也提供逆向電流阻隔功能。  

要處理可攜式裝置的兩個電源輸入,可參考德州儀器(TI)的TPS61120架構。這顆元件內建同步升壓轉換器和低壓降穩壓器,使其得以將完整雙輸入電源解決方案所需一切整合至4×4釐米封裝中,包括電池的低電壓偵測功能。這顆元件的完整應用電路如圖2所示。  

要設計雙輸入電源供應,只需將升壓轉換器和低壓降穩壓器的輸出端連接在一起,它們的控制迴路已經過特別設計,不會彼此干擾;除此之外,它們也使用同樣的參考電壓,因此很容易設定不同輸入電源的優先順序。在此範例中,供電給低壓降穩壓器的輔助輸入只要有連接電源,它就會接管負載的供電工作。低壓降穩壓器的輸出電壓會設定成略高於升壓轉換器的輸出電壓,這表示只要低壓降穩壓器提供略高的輸出電壓,升壓轉換器就會停止工作,然後進入省電模式。如果只靠一個轉換器無法提供足夠電源,它還能將2個轉換器並聯供電,這是此類並聯架構的另一項優點,舉例來說,如果低壓降穩壓器超載,它的輸出電壓就會下降,此時升壓轉換器就會啟動,共同提供電源至輸出端。但即便如此,由於低壓降穩壓器的輸出略高於升壓轉換器,所以它仍是主要的電力來源。  

低壓降穩壓器是由元件的LDOEN接腳控制,當輔助電源輸入端有足夠的電壓時,即可利用此接腳將其啟動,或是可使用USB控制器來控制這隻接腳。若這隻接腳被禁能,元件的低壓降穩壓器仍會阻隔逆向電流,這個特點能在不需要輔助電源輸入時協助節省電力。元件內含的同步升壓轉換器還有另一項優點,由於它是同步轉換器,所以不必使用漏電流很大的蕭特基二極體。當元件沒在進行切換時,整流開關會將逆向電流完全阻隔。圖4是TPS61120的升壓輸入電流量測結果,可看出只有靜態電流流入元件,而且此電流完全來自電池,因此就算使用容量很小的小型電池,電池端也不會出現安全問題。  

(本文作者目前任職於TI)  

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