高效率升压转换器可以延长电池使用寿命吗？

为便携式电子设备开发电源电路要求设计工程师通过最大程度地提高功率和降低整个系统的功耗来延长电池使用寿命，这推动器件本身的尺寸变得更小，从而有益于在设计终端产品时获得更高灵活性。这种设计的最重要元器件之一是电源管理IC或DC/DC转换器。

高效DC/DC转换器是所有便携式设计的基础。许多便携式电子应用被设计成采用单节AA或AAA电池工作，这给电源设计工程师提出了挑战。从850mV～1.5V的输入电压产生一个恒定的3.3V系统输出，要求同步升压DC/DC转换器能够在固定开关频率下工作，同时附带片上补偿电路，并且需要微型低高度电感和陶瓷电容，最好采用微型IC封装以减少它在设备设计中的总占位面积。

一个由薄型SOTIC封装和少量外部元器件组成的经过验证的电路设计，实现了一个仅占7×9mm2板面积的效率为90%的单电池到3.3V/150mA转换器。当在单电池输入（1.5V）下工作时，25mA～80mA之间的负载电流可能实现90%以上的效率。一个外部低电流肖特基二极管（虽然并不是必需的）将在较高输出电流下最大程度地提高效率。

这个电路设计集成了带额定电阻值为0.35Ω（N）且典型电阻值为0.45Ω（P）的低栅电极电压内部开关的高效DC/DC转换器。在整个工作温度范围内，开关电流限制一般为850mA，从而在新的碱性AA单节电池输入和两节电池输入时可分别实现0.66W和2.5W的输出功率。

电流模式控制提供出色的输入线路和输出负载瞬态响应。斜坡补偿（这是当占空比超过50%时用来防止分频谐波不稳定性所必需的）可以整合到转换器中，与电路一起保持恒流限制阈值，而不管输入电压是多少。

主要特性

先进电源管理IC设计的两个特性会影响其工作效率：内部反馈机制的集成和可在工作期间节省能量的节电模式的加入。增加的内部反馈回路补偿不再需要外部元器件了，从而降低了总成本，简化了设计过程。通过仅在需要时激活电源转换器以将输出电压调制保持在1%以内，节电工作模式提高了轻负载（ILOAD<3mA，典型值）时的转换器效率。一旦输出电压在进行调制，转换器会切换至睡眠状态，从而减少栅电荷损失和静态电流。不带节电模式的类似IC将被强制在整个工作范围内保持恒定的PWM，从而增加了静态电流。虽然在一些频率敏感的应用中恒频PWM可能会受欢迎，但它会降低总系统效率。

关断电流低于1mA，并且这个引脚上的磁滞允许对VIN进行简单的阻性上拉从而连续工作。还要注意，在关断过程中，VOUT保持低于VIN的未经过调制的600mV。当存储器或实时时钟必须在断电期间保持激活时，这个特性特别有用。可以通过更改分压器的电阻值轻松设定输出电压。

为了从电池电源获得最高功效，DC/DC转换器必须能够在1V以下的输入电压下工作，并提供范围在2.5V～5V之间的可调整输出电压。理想情况下，这种器件还将能够在低至0.65V的输入电压下继续工作，唯一的局限性在于输入电源提供足够功率的能力。

这个特性将消除对大的输入旁路电容的需要，从而节省了板空间、降低了成本。在低至0.65V的输入电压下工作的能力，是从电量接近耗尽的电池中获得更长使用寿命的重要特性。

以两个由单节电池供电的便携式设备为例，其电池使用寿命的比较表明，在理想测试条件下，电源管理IC在低压模式下工作的能力使其可比传统DC/DC转换器多提供六个多小时的电池使用寿命。工作寿命延长40%为终端产品提供了明显的优势。

EMI抑制方法

当升压转换器在非连续模式下工作时（即功率传动周期开始之前，电感电流降至零时），可能存在EMI问题。为了帮助降低电势参考点，在电感电流为零且器件处于关断状态时，可将一个100Ω的内部阻尼电路跨接在电感上。

EMI和总性能质量也会受PCB布局的影响。高速工作的低压输入器件需要格外注意线路板布局，特别是处于涉及N沟道和P沟道开关切换的工作周期期间的高电流通路。SW引脚、VIN引脚CIN、COUT和地之间的电流通路应短而宽，以形成最低的固有电阻损耗和最低的漏电感

支撑当代社会的基础设施必须以非常高的可靠性运行。互联网服务器群和通信交换中心为了保证近乎100％的“无故障运行时间”或系统可用性，它们大多都依赖一项非常成熟的技术——铅酸电池，而数据存储中心采用的却是高新技术。通常，这些关键节点和许多其他重要部门均配备备用电源，备用电源的第一层一般是逆变器，逆变器对阀控铅酸（VRLA）电池或性能类似的密封式胶体电池组装的电池组提供电源转换。

这项传统技术之所以广为应用，有很多原因，尤其是铅酸电池经济实惠，而且具备杰出的可靠性。不过虽然杰出却并不完美。VRLA电池使用寿命有限（设计寿命一般为12年），通常关键系统使用这种电池作为备用电源，不过定期更换。故障可能、确实时有发生。在一个典型的备用电源系统中，这种电池的作用正如其名—它们始终保持完全充满电的状态等待主电源失效。而完全充满电状态则通过连续的小电流“浮”充电维持。如果浮充电流低于某设定限值，则电池内部电解产生的气体就会再化合。在这种情况下，浮充电压即使略高于单个电池标准值2.27V，也有可能损坏电池。小幅过电压将导致电解液析出多于再化合处理量的更多气体，这些未被处理的气体会通过安全阀溢出。如果电池温度过高，即使充电电压适当，也会导致电解液损耗。

其他失效模式包括早期硫酸化、极柱和板栅连接不良、极板和板栅连接不良、电解液层化及板栅加速腐蚀。另外还有一种虽然少却是灾难性的失效模式——热失控，这是VRLA和胶体电池所特有的一种失效模式，可以引起爆炸起火。防范热失控的唯一方法是监测电池内部温度。

仅仅监测电池电压对检测铅酸电池容量下降所起的作用非常有限，这一点已经得到业内公认。当电池性能正在下降时，通常呈现的是标称电压，直到释放大电流时方能显现出来，而这时它的容量已经严重降低，端电压过早跌落。通过测量电解液确切比重来确定电池状态，这种方法对密封VRLA或胶体电池不适用；常规上，检验电池容量采用的唯一办法是将整个电池组放电至受控状态以下，不过这种方法需要电池停止使用。此外，深度放电还会降低铅酸电池的寿命；在定期对其备用电池进行放电测试以及其主电源具备高可靠性的系统上，大多采用这种测试方案确定电池使用寿命。

近来，可以进行连续监测的非介入式电子法可以检测单个电池的临近失效状态，这种方法既能节约成本，又能维持整个系统的可用性。此类系统的前身通常测量电池或电池组（电池行业术语，指封装于同一壳体内的多个电池）电压—尽管其局限性众所周知—加上充/放电流和周围温度。一些系统试图测量或推测电池内阻，其成效各有不同。

LEM的Sentinel系统是基于依赖简单的基本参数模拟测量进行转变的领先产品，现在已经发展到第3代即SentinelIII。它在单片定制设计的SoC（系统芯片）集成电路上整合了模拟和数字技术。该装置配置在一个测量端电压、电池内部温度以及内部阻抗的模块内，对于可以提供精确测量结果、费用又在大多数备用系统配置能承受的预算范围内的系统而言，它是设计时一个关键要素。