降压 - 升压充电器拓扑

现在我们来看看 我们正在做的升降压充电器 解决方案是什么 部件号是 bq25700 在本节中，我们将强调 本部分的三个主要特征 一个是这个部分是 TI 第一的升降压拓扑充电器 第二点是输入电流优化 ICO 算法 第三个部分是这个元件集成了 ADC 可以为客户读取系统电压和电流讯息 我将在下张幻灯片解释更多的细节 这是一个经典的升降压转换器 我相信大多数的人 可能会看过这种拓扑 你可以在这个拓扑中 看到四个功率电晶体 两个红色的功率电晶体 同时导通和关闭 另外两个功率电晶体，Q2 和 Q4 也是同时导通和关闭 Q1 和 Q3 以及 Q2 和 Q4 是互补 当 Q1 和 Q3 导通时 电感被施加输入电压 并开始储存能量 当 Q1 和 Q3 断开时 Q4 和 Q2 会导通 此时电感中储存的能量被转移到输入端 基于电感器的伏秒平衡公式 我们可以得到电压增益的方程式 从该电压方程式中 D/(1-D) D 代表占空比 也就是 Q1 和 Q3 导通的时间 我们可以看得出来 当占空比小于 0.5 时 可以实现降压的功能 当占空比大于 0.5 时 它具有升压的功能 现在我们来分析一下 我们在这一个控制架构中 会遇到什么问题 你可以看到这个开关的波形 你可以看到这个开关的波形 当功率电晶体 Q1 和 Q3 导通时 电感电流会增加 然后当 Q2 和 Q4 导通时 电感电流会减小 它所储存的电感的能量 会传递到输出端 所以一个很简单的结论是 输入电流和输出电流都是不连续的 导致于输入电容和输出电容的 ESR 值的损耗会过高 比方说假设占空比是 50% 平均电感电流是输出电流或输入电流的两倍 由于通过开关的电流与电感电流是一样的 所以这跟简单的降压 或者是升压转换器来相比 所有的开关都具有更高的谐波平均电流 当然它也具有较高的切换损失 因为它在两倍负载电流下导通和关断 因此与降压或者是升压的转换器相比 该升降压转换器的效率会比较低 简而言之 在每个时钟周期内 两个功率电晶体都必须被切换 转换器必须驱动四个功率电晶体 在上半周驱动 Q1 和 Q3 功率电晶体 另一半周期驱动 Q2 和 Q4 功率电晶体 这意味着你必须处理双重切换损失 所以我们有更好的控制架构 来实现更好的效率 我们可以达到这样的升降压转换器吗 这是我们公司提出来的升降压转换器 当然由这张图 你可以发现这跟传统的架构是相同的 可是呢 我们使用的是不同的控制方法 在左侧 这是典型的同步降压转换器 你有两个功率电晶体，Q1 和 Q2 跟随在后面的电感和电容器 形成 LC 的一个储能 然后在输入端 然后在输入端 然后这个降压电路总是执行降压的功能 将高压源转换为低压负载 在电感的右边 Q3 和 Q4 形成一个升压转换器 它做了什么呢 它是可以增加低输入电源 以提供更高的输出电压 如果将这两个部分组合在一起 那么它将成为升降压的拓扑 它可以降压，升压 也可以升降压的操作 我们来解释一下 TI 提出的 升降压的控制方法 它是如何操作的呢 在降压模式下 Q1 和 Q2 将处于开关的状态 Q3 保持关闭，Q4 导通 电压增益比为 D 在升压模式下 Q3 和 Q4 将处于开关状态 Q1 导通，Q2 关断 电压的增益为 1/(1-D) 因此该升降压转换器具有 同时具有降压或升压转换器 相同或更高的效率 从这种控制方法可以看出 每一个时钟周期内 只有两个功率电晶体必须切换 只有两个功率电晶体必须切换 转换器只需要在每个开关周期 同时驱动两个功率电晶体 这意味着你不需要处理双重开关损耗 我们的解决方案 效率将优于传统的架构 所以这里是真正我们板子上的测试波形 从降压到升降压转换到升压 你可以轻松地从这些波形 看到它的控制方法 这里是从输入电压，输入电压为 7.5V 电池电压为 7V 开始 有两个开关节点，SW1 跟 SW2 SW1 指的是降压电路的 swithing node SW2 指的是升压的 swithing node 所以在降压运行中 只有 SW1 看得到切换波形 SW2 总是打开的 所以当我们稍微增加电池电压 例如说 7.1V 然后你可以开始看到 SW1 的开关波形 如果我们增加电池电压 让它越来越接近输入电压 我们可以看到完全的升降压运行的阶段 这意味每一个开关周期 你可以看到一个降压的开关脉冲 以及下一个为升压的开关脉冲 然后我们不断的增加电池电压 现在我们开始看到 降压开关脉冲比以前少 并开始保持长时间的导通 在升压阶段 SW2 的开关更为频繁 如果当我们的电池电压 真的高于我的输入电压 那么充电器将百分之百在升压阶段 这一个过度操作是有三个阶段 我们称之为无缝过渡 没有外部控制器的识别是必须要的 它实际上是监控输入和输出的电压 根据输入和输出的电压来决定 当前周期和哪一个架构我需要做切换 这是我们升降压充电器的应用图 正如我们所讨论的 这个架构很像 H 桥驱动 去驱动四个功率电晶体 两个在电感之前 我们称之为降压级，Q1 和 Q2 两个功率电晶体在后面 我们称之为 Q3 和 Q4 为升压模式运行 而且它们是双向的功率路径 这意味着它不仅可以作为 充电器应该做的正向充电功能 而且还可以做反向的 OTG 为什么 OTG 因为我们支持 USB 端口 它能够它能够提供任何 type-C 类型的可携式装备 如手机的充电 所以双向电源路径 可以更好去实现这一个功能 并且每个方向我们应该支持整个大范围 认为例如从 3.5V 到 24V 的输入 我们可以覆盖 5V USB 到 20V USB PD 电压 在输出端我们支援 从一串到四串的电池 此外我们还在提供 具有电流及功率监测的装置 因此我们可以很好的