老铁们，大家好，相信还有很多朋友对于电源拓扑选择指南：降压、升压、LDO，深度解析不同电路设计和的相关问题不太懂，没关系，今天就由我来为大家分享分享电源拓扑选择指南：降压、升压、LDO，深度解析不同电路设计以及的问题，文章篇幅可能偏长，希望可以帮助到大家，下面一起来看看吧！

如图1 所示，将锂离子电池电压转换为3.3V 电压轨的设计具有挑战性。充满电后，典型的锂离子电池放电曲线从4.2V 开始。 X轴的起点为“-5分钟”，对应的电压为电池充满电时的开路电压。 “0分钟”时，电池与负载连接，由于内部阻抗和保护电路的作用，电压开始下降。电池电压缓慢下降至3.4V左右，然后随着放电周期接近结束电压开始快速下降。为了充分利用电池中存储的电量，3.3V 电源轨需要在放电周期的大部分时间使用降压转换器，在放电周期的剩余时间使用升压转换器。

图1：1650mA-hr 18650 锂离子电池放电曲线。

级联降压和升压转换器解决方案

级联降压和升压转换器由两个独立且分离的转换器组成，一个降压转换器和一个升压转换器。降压转换器将电压稳定在中压（例如1.8V），而升压转换器将中压升高至3.3V。能够利用100% 的电池电量，使该架构非常适合需要较低电压轨的系统。然而，由于使用了两级转换机制，从效率角度来看这并不是最佳解决方案。

有效功率转换效率是降压调节器效率和升压调节器效率的乘积。工作在上述电压条件下，降压和升压转换器的典型效率值为90%，因此3.3V转换器的有效功率转换效率为90%90%=81%。由于该架构包含两个独立的转换器，增加了元件数量和系统体积，不仅难以应用于小型便携式产品，而且增加了成本。

独立降压转换器解决方案

使用降压转换器还可以将锂离子电池电压转换为3.3V电压，但这种解决方案经常被忽视，并未得到广泛应用。设计工程师通常在观察电池放电曲线（如图1 所示）后放弃此解决方案。这是因为从电池完全放电曲线（如图1 所示）可以看出，降压稳压器无法产生3.3V 电压。电压轨。当降压转换器的输入电压下降到接近输出电压时，许多降压转换器会进入100% 占空比模式。在这种情况下，转换器停止转换并直接输出输入电压。在100% 占空比模式下，输出电压等于输入电压减去转换器两端的压降。该电压降由MOSFET 导通电阻、输出电感器的直流电阻和负载电流决定。这设置了仍处于调节状态的最小电池电压。假设系统认为3.3V 电压轨下降了5%，并且仍处于调节状态。则可以使用以下公式计算系统运行的最小电池电压。

其中：Vout_nom为3.3V额定值，Rdson为功率MOSFET的导通电阻，RL为输出电感的直流电阻，Iout为转换器在3.3V时的输出电流。

当电池电压降至Vbattery_min 时，系统必须关闭至低于最小容差，以避免在3.3V 电源轨上运行并损坏数据。即使电池仍有5% 到15% 的剩余电量，系统也可能会关闭。系统关闭之前电池剩余电量取决于许多因素，包括组件电阻、负载电流、电池寿命和环境温度。

由于这个原因，大多数设计工程师都会回避使用单独的降压拓扑，但仔细观察实际系统运行时间就会发现，标准降压/升压、级联降压和升压拓扑比单独的降压拓扑具有更高的转换效率。电压转换器的效率要低得多。尽管这些拓扑充分利用了电池电量，但它们的效率远低于降压转换器。在许多情况下，单独的降压转换器可以比其他两种拓扑运行更长时间。直到2005 年，完全集成的降压转换器被认为是生成3.3V 电源轨的最佳选择。

低压差稳压器解决方案

另一种不太常用的解决方案是LDO。与“独立降压”解决方案类似，LDO 无法充分利用整个电池电量。原因是只有当输入电压大于输出电压和LDO压降之和时才能实现稳定性。压力效应。如果LDO的压降为0.15V，那么当电池电压低于3.3V+0.15V=3.45V时，3.3V输出电压开始下降。与单独使用压降解决方案相比，该解决方案可能会导致更多的电池电量未得到充分利用。尽管有这个缺点，LDO 在某些情况下也有优点。

LDO 解决方案通常尺寸最小，因此当主机系统有严格的空间要求时，它们是理想的选择。 LDO 解决方案通常成本最低，因此非常适合低成本应用。很多设计工程师由于LDO效率低而放弃使用该方案，但仔细研究后可以发现，在该应用中效率还是不错的：

当充满电的锂离子电池的启动电压为4.2V时，LDO的初始效率为78%，并且其效率随着电池电压的降低而增加。

降压/升压转换器解决方案

降压/升压拓扑具有广泛的应用。该拓扑结合了上述其他解决方案的所有优点。顾名思义，这种拓扑结构同时具有降压和升压功能，因此可以100%利用电池电量。

降压/升压转换器的部署方式决定了其极高的转换效率。例如，德州仪器（TI）全集成降压/升压转换器TPS63000在从3.6V降至3.3V的过程中实现了约95%的转换效率。高转换率意味着电池电量得到充分利用，从而实现最长的运行时间。与降压解决方案的组件数量和尺寸相比，具有电源开关、补偿组件和反馈电路的完全集成降压/升压转换器并不处于劣势，并且外部组件仅需要输入电容器、输出电容器和电感器。高度集成的单芯片IC 解决方案有助于降低总体系统成本。

降压/升压功率级如图2 所示。该拓扑由具有2 个电源开关的降压功率级和具有2 个电源开关的升压功率级组成。两个功率级通过功率电感器连接。这些开关可以在三种不同的模式下运行：降压/升压模式、降压模式和升压模式。特定的IC 工作模式具有特定的输入输出电压比和IC 控制拓扑。

图2：降压/升压功率级由具有2 个电源开关的降压功率级和具有2 个电源开关的升压功率级组成。

降压/升压转换器并不完全相同

便携式应用对降压/升压转换器的需求由来已久，但它们的尺寸和效率要求通常非常严格。直到最近，半导体封装技术才发展到可以将四个MOSFET 开关和相应的控制环路集成到一个小型封装中的程度。

尽管不同的降压/升压解决方案具有相同的功率级拓扑，但控制电路差异很大。目前提供三种标准降压/升压转换器。第一个在每个开关周期内有4 个MOSFET 开关在运行。这种类型的工作模式可以生成标准降压/升压波形。对这些波形的仔细分析表明，流经电感器和MOSFET 的有效电流(RMS) 远高于标准降压或升压转换器，这导致标准降压/升压转换器中的传导和开关损耗增加。同时操作四个开关也会增加栅极驱动损耗，导致低输出电流状态下效率急剧下降。

第二个新的降压/升压控制每个开关周期仅运行2 个MOSFET，从而降低了损耗。从图2中可以看出，该控制方案可以在三种不同的模式下运行。当Vin大于Vout时，转换器导通Q4并关断Q3，然后将Q1和Q2用作标准降压转换器；当Vin小于Vout时，控制电路开启Q2并关闭Q1，然后使用Q3和Q4作为标准升压转换器。使用的转换器。然而，这种控制模式会在降压和升压模式之间的过渡区域引起一些操作和控制问题。为了解决这些问题，可以在转换过程中使用标准降压/升压模式。由于在标准降压/升压工作模式下，所有4 个开关均处于活动状态，因此可以解决这些控制问题。然而，开关损耗和RMS电流的增加导致转换区域效率急剧下降，而这个效率下降区域接近电池电压（此时提供大部分电池电量），因此在大多数区域根据电池放电曲线，转换器以低效降压/升压模式运行。

第三种降压/升压控制模式消除了降压和升压模式之间的过渡区域，从而显着提高了性能和效率。 TI 的TPS63000 降压/升压转换器包含先进的控制拓扑，可解决标准降压/升压转换器面临的各种问题。无论何种工作模式，TPS63000 每个开关周期只有两个开关处于活动状态，这不仅降低了功耗，而且在整个电池放电曲线期间保持高效率。与某些解决方案不同，TPS63000 集成了所有补偿电路，仅需要3 个外部组件即可运行，从而最大限度地减小了产品尺寸。

图3为四种方案中锂离子电池电压降至3.3V时的放电曲线与工作时间的关系。

这些解决方案包括级联降压和升压转换器、独立降压转换器、LDO 转换器和TPS63000 降压/升压转换器。图中是充满电的18650锂离子电池，容量为1650mAHr。负载电流为500mA，当3.3V 轨电压低于初始设定值5% 时，系统关闭。这里要求使用同一块电池，避免因电池容量差异造成数据偏差。正如预期，LDO 的运行时间较短，为190 分钟，而降压/升压转换器的运行时间最长，为203 分钟，级联降压/升压解决方案的运行时间最短。仅175分钟。

其他需要考虑的因素

实验室测试时不明显的负载瞬态电流在实际应用中却极其明显。原因是锂离子电池经过150次充放电循环后，内阻增加了一倍；当工作温度为0~25时，其内阻也将增加一倍。

将锂离子电池电压转换为3.3V的设计方案有很多，设计工程师可以根据系统的具体要求选择最佳的解决方案。降压/升压转换器适用于大多数系统，因为它具有最长的运行时间、最小的尺寸和相对较低的成本，使其成为大多数便携式应用的最佳整体解决方案。

选择降压/升压转换器时，必须注意各种降压/升压转换器的特性并不相同。请务必注意操作模式、整个电池操作阶段的效率以及整体解决方案尺寸等因素。

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