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，最簡單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。或者，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。可以使用與單節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。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

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。在第一個周期中，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顯示了對應于上述第一個周期的 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完全對稱：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勢。為了說明 2% 效率優勢的影響，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，占位面積優勢為 27%。

圖 7. 27% 的足跡凈尺寸優勢

結論

便攜式設備（如帶有熱敏打印機的移動銷售點系統）不斷增加的電力需求正在推高其電池容量。雖然從 1S 配置轉變為 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，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） 可產生最佳的整體系統效率，并且最適合保留現有的 1S 下游電源架構。

審核編輯：郭婷