介紹

耗電的便攜式電子產(chǎn)品正在推動電池容量上升。例如，移動銷售點(diǎn) （POS） 設(shè)備內(nèi)置有集成熱敏打印機(jī)，這會增加功耗并可能需要更高容量的電池。通過使用更多的電池串聯(lián)或并聯(lián)可以獲得更高的電池容量。例如，要將容量翻倍，最簡單的做法是從一個(gè)電池 （1S） 移動到兩個(gè)并聯(lián)電池 （2P）。該解決方案使輸出功率翻倍，并保持下游電子設(shè)備的額定電壓，同時(shí)增加從電池汲取的電流。但是，在為電池充電時(shí)會出現(xiàn)問題，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn) USB-C 電纜的額定電流為 3A。為 2P 電池充電需要兩倍的電流，這可能會超過 3A 的限制。或者，充電速率可以減半，從而使充電時(shí)間增加一倍。

USB Type-C 標(biāo)準(zhǔn)支持 15W、5V、3A 或 25W、5V、5A，帶有特殊的電子標(biāo)記電纜。但特殊電纜既昂貴又不常見，因此支持標(biāo)準(zhǔn) 3A 電纜額定值對于應(yīng)用來說非常重要。

滿足這一限制并增加輸出功率的一種方法是使用兩個(gè)串聯(lián)（2S）而不是并聯(lián)的鋰電池?？梢允褂门c單節(jié)電池相同的電流為兩個(gè)串聯(lián)電池充電，并提供雙倍的容量?，F(xiàn)在的問題是您的低壓充電和調(diào)節(jié)電子設(shè)備變得不兼容，您必須購買更高電壓的設(shè)備才能將 2S 電池連接到您的系統(tǒng)。這種選擇可能會在高壓設(shè)備的可用性方面產(chǎn)生問題，并在庫存以及不同額定電壓的充電和控制設(shè)備的采購方面造成問題。由于數(shù)量分布在不同的設(shè)備上，它還表現(xiàn)出購買力的損失。或者，可以使用 2:1 降壓轉(zhuǎn)換器（圖 1）將 2S 電池電壓減半，并將其應(yīng)用于下游低壓電子設(shè)備。這樣，降壓轉(zhuǎn)換器可以為現(xiàn)有的 1S 電路供電，同時(shí)支持使用 2S 電池。

圖1.帶有2:1降壓轉(zhuǎn)換器的2S低電流電池管理系統(tǒng)

在此設(shè)計(jì)解決方案中，我們建議使用 2:1 開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器 （SCC） 作為降壓轉(zhuǎn)換器的選擇。該 IC 通過將 2S 電池電壓轉(zhuǎn)換為 1S 等效輸出，簡化了向更高電池電壓的遷移，并允許設(shè)計(jì)人員保留現(xiàn)有的下游 1S 電源架構(gòu)。

為什么選擇 SCC？對于降壓轉(zhuǎn)換器，首先想到的是基于電感的降壓轉(zhuǎn)換器。然而，在像我們這樣輸入電壓與輸出電壓之比為整數(shù) （2） 的情況下，SCC 表現(xiàn)出更高的效率。與電感降壓轉(zhuǎn)換器相比，SCC 還具有更低的開關(guān)損耗。在降壓轉(zhuǎn)換器中，每個(gè)開關(guān)阻斷全輸入電壓并支持全輸出電流。在 2:1 SCC 中，開關(guān)僅阻斷一半的輸入電壓并承載一半的輸出電流，從而降低開關(guān)損耗。最后，SCC 受益于電容器的能量密度明顯高于電感器，從而使 PCB 面積更小1。上述所有因素使 SCC 成為該應(yīng)用中的理想解決方案。

SCC 運(yùn)營圖 2說明了兩階段 SCC 架構(gòu)。在第一個(gè)周期中，F(xiàn)ET S1 和 S2 導(dǎo)通，C FLY1在為負(fù)載供電的同時(shí)充電。同時(shí)，F(xiàn)ET S7 和 S8 導(dǎo)通，C FLY2放電以向負(fù)載供電。

圖 2. 兩階段 SCC 架構(gòu)的操作。

圖 3顯示了對應(yīng)于上述第一個(gè)周期的 SCC 波形。

圖 3. 兩相 SCC 架構(gòu)的 SCC 波形。

下一個(gè)周期與前一個(gè)周期完全對稱：S1 和 S2 關(guān)閉，而 S3 和 S4 開啟，C FLY1為負(fù)載供電。同時(shí)，S7 和 S8 關(guān)閉，而 S5 和 S6 開啟。C FLY2在為負(fù)載供電的同時(shí)充電。兩相操作降低了輸出電容上的紋波。

開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器例如，MAX77932C是一款帶有集成電源開關(guān)的兩相開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器，可提供 8A 輸出電流并將輸入電壓進(jìn)行 2 分壓（參見圖 4）。該 IC 適用于使用 2S Li+ 電池同時(shí)為以 1S 等效電壓工作的電路供電的應(yīng)用。它還適用于從 1S 電池配置遷移到 2S 電池配置的應(yīng)用，并允許設(shè)計(jì)人員保留現(xiàn)有的下游 1S 電源架構(gòu)。

圖 4. SCC 框圖。

高效率SCC 效率（如圖 5所示）在 0.5MHz 開關(guān)頻率下超過 98%。如此高的效率有助于減少熱量損失，并有助于將應(yīng)用溫度保持在“皮膚溫度”不適水平以下。

圖 5. 2:1 SCC 高效率

憑借如此高的效率，由一個(gè) SCC 和一個(gè)低壓 （LV） 降壓轉(zhuǎn)換器（圖 2 中的 LV DC-DC）組成的兩級解決方案將勝過單級高壓 （HV） 降壓轉(zhuǎn)換器。 與 HV 降壓轉(zhuǎn)換器相比，LV 降壓轉(zhuǎn)換器以更低的開關(guān)損耗和更高的占空比運(yùn)行。表格1代表兩階段解決方案的優(yōu)勢。為了說明 2% 效率優(yōu)勢的影響，以 12V、3A、36W 充電器為例，這是 USB-C PD 應(yīng)用中常用的功率水平。SCC 解決方案的更高效率可降低約 0.7W 的散熱量。在這種情況下，結(jié)至環(huán)境熱阻為 35°/W 的 IC 將在 25°C 的低溫下運(yùn)行，無需任何熱管理材料。這種改進(jìn)的熱性能使設(shè)備的“皮膚溫度”更容易保持在可接受的范圍內(nèi)。

表 1. SCC 優(yōu)勢

拓?fù)銼CC 效率降壓效率整體效率

SCC +LV降壓～98%～94%～92%

高壓降壓不適用～90%～90%該 IC 在低電流下也具有出色的效率。圖 6顯示了 92% 以上的效率，電流在 1mA 至 10mA 范圍內(nèi)。隨著便攜式設(shè)備的待機(jī)時(shí)間延長，此功能顯著延長了電池壽命。

圖 6. 輕負(fù)載時(shí) 2:1 SCC 的高效率

占地面積小該 IC 采用微型無鉛 0.4mm 間距、2.4mm x 2.8mm 42 引腳晶圓級封裝 （WLP）。小芯片和小無源器件的組合產(chǎn)生的 PCB 占位面積凈面積僅為 14.6 mm 2。圖 7中的比較顯示，與競爭對手的類似解決方案相比，占位面積優(yōu)勢為 27%。

圖 7. 27% 的足跡凈尺寸優(yōu)勢

結(jié)論

便攜式設(shè)備（如帶有熱敏打印機(jī)的移動銷售點(diǎn)系統(tǒng)）不斷增加的電力需求正在推高其電池容量。雖然從 1S 配置轉(zhuǎn)變?yōu)?2S 配置可以加快充電速度，但它似乎需要更高電壓的下游設(shè)備。通過使用 2:1 降壓轉(zhuǎn)換器將 2S 電池連接到系統(tǒng)，可以保留 1S 下游電路。我們表明，對于這種配置，開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器 （SCC） 可產(chǎn)生最佳的整體系統(tǒng)效率，并且最適合保留現(xiàn)有的 1S 下游電源架構(gòu)。

審核編輯：郭婷