摘要： 在這個設計解決方案中，我們討論了在提高電池容量的同時保留鋰離子 (li) 單節(jié)電池電源架構的挑戰(zhàn)，以遵循電池供電設備的功率上升趨勢。對于更高效的電池系統(tǒng)，我們提出了一個 2:1 降壓轉換器，它可以保留現有的下游 1s 電源架構，而無需更高的電池充電電流。隨后，我們展示了開關電容轉換器 (scc) 是降壓轉換器解決方案，這要歸功于其高效率和低 pcb 占位面積。
介紹耗電的便攜式電子產品正在推動電池容量上升。例如，移動銷售點 (pos) 設備內置有集成熱敏打印機，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或并聯可以獲得更高的電池容量。例如，要將容量翻倍，的做法是從一個電池 (1s) 移動到兩個并聯電池 (2p)。該解決方案使輸出功率翻倍，并保持下游電子設備的額定電壓，同時增加從電池汲取的電流。但是，在為電池充電時會出現問題，因為標準 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?；蛘?，充電速率可以減半，從而使充電時間增加一倍。
usb type-c 標準支持 15w、5v、3a 或 25w、5v、5a，帶有特殊的電子標記電纜。但特殊電纜既昂貴又不常見，因此支持標準 3a 電纜額定值對于應用來說非常重要。
滿足這一限制并增加輸出功率的一種方法是使用兩個串聯（2s）而不是并聯的鋰電池?？梢允褂门c單節(jié)電池相同的電流為兩個串聯電池充電，并提供雙倍的容量。現在的問題是您的低壓充電和調節(jié)電子設備變得不兼容，您必須購買更高電壓的設備才能將 2s 電池連接到您的系統(tǒng)。這種選擇可能會在高壓設備的可用性方面產生問題，并在庫存以及不同額定電壓的充電和控制設備的采購方面造成問題。由于數量分布在不同的設備上，它還表現出購買力的損失。
或者，可以使用 2:1 降壓轉換器（圖 1）將 2s 電池電壓減半，并將其應用于下游低壓電子設備。這樣，降壓轉換器可以為現有的 1s 電路供電，同時支持使用 2s 電池。
圖1.帶有2:1降壓轉換器的2s低電流電池管理系統(tǒng)
在此設計解決方案中，我們建議使用 2:1 開關電容轉換器 (scc) 作為降壓轉換器的選擇。該 ic 通過將 2s 電池電壓轉換為 1s 等效輸出，簡化了向更高電池電壓的遷移，并允許設計人員保留現有的下游 1s 電源架構。
為什么選擇 scc？對于降壓轉換器，首先想到的是基于電感的降壓轉換器。然而，在像我們這樣輸入電壓與輸出電壓之比為整數 (2) 的情況下，scc 表現出更高的效率。與電感降壓轉換器相比，scc 還具有更低的開關損耗。在降壓轉換器中，每個開關阻斷全輸入電壓并支持全輸出電流。在 2:1 scc 中，開關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 成為該應用中的理想解決方案。
scc 運營圖 2說明了兩階段 scc 架構。在個周期中，fet s1 和 s2 導通，c fly1在為負載供電的同時充電。同時，fet s7 和 s8 導通，c fly2放電以向負載供電。
圖 2. 兩階段 scc 架構的操作。
圖 3顯示了對應于上述個周期的 scc 波形。
圖 3. 兩相 scc 架構的 scc 波形。
下一個周期與前一個周期對稱：s1 和 s2 關閉，而 s3 和 s4 開啟，c fly1為負載供電。同時，s7 和 s8 關閉，而 s5 和 s6 開啟。c fly2在為負載供電的同時充電。兩相操作降低了輸出電容上的紋波。
開關電容轉換器例如，max77932c是一款帶有集成電源開關的兩相開關電容轉換器，可提供 8a 輸出電流并將輸入電壓進行 2 分壓（參見圖 4）。該 ic 適用于使用 2s li+ 電池同時為以 1s 等效電壓工作的電路供電的應用。它還適用于從 1s 電池配置遷移到 2s 電池配置的應用，并允許設計人員保留現有的下游 1s 電源架構。
圖 4. scc 框圖。
高效率scc 效率（如圖 5所示）在 0.5mhz 開關頻率下超過 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 scc 和一個低壓 (lv) 降壓轉換器（圖 2 中的 lv dc-dc）組成的兩級解決方案將勝過單級高壓 (hv) 降壓轉換器. 與 hv 降壓轉換器相比，lv 降壓轉換器以更低的開關損耗和更高的占空比運行。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，結至環(huán)境熱阻為 35°/w 的 ic 將在 25°c 的低溫下運行，無需任何熱管理材料。這種改進的熱性能使設備的“皮膚溫度”更容易保持在可接受的范圍內。
表 1. scc 優(yōu)勢
拓撲scc 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。隨著便攜式設備的待機時間延長，此功能顯著延長了電池壽命。
圖 6. 輕負載時 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
結論
便攜式設備（如帶有熱敏打印機的移動銷售點系統(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備。通過使用 2:1 降壓轉換器將 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，開關電容轉換器 (scc) 可產生的整體系統(tǒng)效率，并且保留現有的 1s 下游電源架構。
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