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以軟啟動電路延長電池壽命

上網時間: 2012年07月11日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:電池壽命  軟啟動  電池驅動 

作者: Emir Serdarevic

標準線性產品類比設計工程師

奧地利微電子公司

這篇文章探討一種在許多電池驅動產品中存在的特性。當一個電路首次獲得供電時,在建立穩定操作狀況期間會出現高尖峰電流。雖然全新或剛充滿電的電池可以有可靠且符合預期的性能表現,但如果電池電量不是很滿時就不能支持高啟動電流(亦稱為突波電流)。隨著電池電量逐漸消耗,它的內部電阻不斷增加,導致在負載下的電壓下跌更大。啟動時尖峰電流所造成的更大電壓下降將觸發電源欠壓關閉機制。

在關閉過程中,電池電壓會回復過來,使電源再次啟動並產生高突波,進而再次激發另一回欠壓情況。結果,設備在啟動(ON)與關閉(OFF)狀態之間來回,導致使用者不滿,還會迫使用戶過早更換電池或為電池充電。

電池使用壽命是用戶做出購買決定的重要因素,所以任何機制如果能夠影響電池的預期使用壽命,都會為最終產品創優增值。

軟啟動定為例行程式,讓電流在一段受到控制的時間內提升到系統要求的數值,可以避免由突波電流造成的問題。例行軟啟動的操作有兩大優點。首先,它使輸出電壓不會上升得太快,能夠防止輸出電壓過衝或顯著降低過衝的幅度。

第二,當一枚已部分放電的電池放出大突波電流時,它能夠避免出現隨之而來的電壓大跌。例行軟啟動減少了突波電流的幅度,所以亦減少了在啟動時出現的電壓下降,從而使電池電壓高於會觸發系統欠壓關閉的臨界值。

對某幾類元件來說,軟啟動可輕易部署。例如低壓差(LDO)穩壓器只要利用閘極控制,便能輕鬆實施軟啟動及突波電流保護。至於DC-DC轉換器,部署方法就要視乎元件是屬於降壓還是升壓穩壓器。

降壓轉換器以及某些升壓轉換器並沒有啟動模組。如果在最懷的情況下,也就是當輸入電壓到了最低時,仍足以為晶片的所有模組提供電壓,那就好辦了,因為系統可以借著最大電流偵察器去限制電流,而這個限制在過了一段固定時間後,又或當一組輸出電壓達到了預定值時便會解除。這是一個非常有吸引力的特性,因為晶片可維持在正常操作模式。

不過,某些升壓轉換器包含了一個啟動模組。當這些系統以升壓模式操作,輸入電壓就會低於電壓要求,因而轉換器的輸出會被用於轉換器的供電。在這種情況下,實施軟啟動便變得複雜,因為例行程式必須在整個啟動過程中限制電流,直至輸出達致所需的輸出電壓。這表示軟啟動機制必須同時在電池供電及轉換器輸出供電上運作。

與此同時,標準線性晶片是為廣闊的應用而設計,能配合多種相關零件,這使軟啟動的部署更趨複雜。這亦表示在不同的應用中,達到輸出要求所需的時間也各異。因此,為多種產品及應用提供一種通用軟啟動解決方案變得極具挑戰性。

現在,隨著奧地利微電子公司推出了一種嶄新的元件,在一個產品訊號上實施軟啟動便大為簡化。AS1344不僅為大部分應用提供完整的啟動解決方案,亦帶來一系列啟動期間的最大電流選擇。這讓系統可以調節達致所需輸出電壓的時間。

圖1為AS1344架構圖。兩個PMOS開關在關閉期間都處於OFF狀態(輸出與輸入解除連接,以制止電流在關閉期間流動);兩者在正常操作模式下則保持ON狀態。


圖1:AS1344的架構圖。

然而,在啟動過程中,只有一個PMOS開關(那個與VIN連接的開關)處於ON狀態。因此,設計人員可透過改變那個連接在電池與VIN之間的外部電阻之數值,去調節啟動期間系統所容許通過的最大電流。這個電阻將永久限制流向VIN的電流。

在DC-DC轉換器達到要求的輸出電平之後不久,由VDD到SW的開關便會啟動,換言之,元件將處於正常操作模式。這讓更大的電流可以通過,以支援更高的負載電流,帶來更具效率的系統。

圖2及圖3展示了這些效應。我們憑圖2可知如果輸入電壓為1.8V,設計便能透過一個3Ω的外部電阻,把湧流電流限制於200mA左右。至於圖3則顯示當輸入電壓為2.4V,電阻值一樣是3Ω的話,最高突波電流值將約為400mA。


圖2:Vin=1.6V、Cout=170uF、Rv=3Ω的啟動波形。


圖3:Vin=2.4V、Cout=170uF、Rv=3Ω的啟動波形。

我們從表1可看到同樣在2.4V輸入電壓下,不同外部電阻(0Ω到3Ω)所造成的各個最大突波電流值及啟動時間。這個清單清楚顯示出,系統如無外部電阻(即Rv=0Ω),就可快速啟動,且有大突波電流通過。


表:在2.4V輸入電壓下,不同外部電阻(0Ω到3Ω)所造成的各個最大突波電流值及啟動時間。

設計人員可通過採用AS1344選擇單一的外部電阻值,輕鬆控制突波電流。OEM借著在不同電路設計使用這種單一升壓轉換器,便有機會減少採購成本,同時簡化供應鏈和倉存要求。





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