善用旁路模式应对电源管理系统中的内阻挑战

对智能手机或平板计算机等可携式设备而言，电池其实不是非常可靠的电源。除了有限的容量、温度和老化等变量影响外，内阻更是个捉摸不定，经常变化的影响参数。在电源管理系统中，妥善利用旁路模式，将可有效应对内阻变化所带来的挑战。

对智能手机或平板计算机等可携式设备而言，电池似乎是一个良好的稳定电源。只需添加一个降压 - 升压稳压器，电源问题就几乎全部解决了。若能够有效地控制充电/放电周期，并且拥有一个良好的电量侦测子系统，就应该能够得到所需的电压和电流。

然而，事实上电池不是非常可靠的电源。除了有限的容量、温度和老化等变量影响外，主要的缺点是其内阻（整合的保护开关阻抗和电池特性的综合）可在几十mΩ到几百mΩ之间变化。更复杂的是，该内部电阻还具有频率相关性。

在典型的应用中，电池两端（通常是2.5V∼4.35V，取决于化学物质）连接至系统电源管理单元的输入，而系统电源管理单元为不同子系统建立系统电源轨。目前智能手机中一些标准的电路，如高性能应用处理器/CPU、高电流USB OTG、相机闪光灯或增强音频，对电池电压造成了变化差距很大的负载条件。

本文将介绍一款结合升压稳压器和整合式低阻抗旁路开关的新型电源设计，除了可以提供更宽的工作电压范围，还能自动升压，防止输出跌至低于设定的目标输出电压。另外，它还可以利用外部控制引脚调用旁路模式，能够将静态电流降至几微安培的范围。

内阻对电池续航力造成明显影响

目前绝大多数的行动装置都具备多核心CPU和高耗电的图形处理单元（GPU），以及音频放大器和大型显示器，这些组件通常是行动装置中最耗电的零组件。当系统执行资源密集型任务时，由于负载突然增大，电源管理系统从电池汲取的电流常会瞬间增高二或三安培。因此，电池电压周期性下跌，系统电源管理单元的某些输出会失去调节，在最差情况下，系统管理单元过早触发截止电压，导致掉电情况发生。

图1显示三个具有相同容量，但内阻值各有不同的电池的掉电情况。当出现高电流脉冲负载时，具有较高内阻的电池续航时间较短。

图1　 不同内阻在脉冲负载情境下的放电曲线

旁路模式提供更高操作电压瞬态响应性能不可忽视

为了克服行动装置电源管理所遇到的上述挑战，并提供新的操作优势，支持旁路模式（Bypass Mode）的升压稳压器是一种解决方案。以安森美半导体（On Semiconductor）的FAN48623升压稳压器为例，在操作时，当输入电压VIN超过目标输出电压VOUT时，FAN48623自动切换到旁路模式，如图2所示。在旁路模式下，电池透过非常低的阻抗直接连至输出。

图2　 自动旁路模式

除了自动旁路转换之外，设计人员还可以在任何时候强制装置进入旁路模式。在强制旁路模式下，只有2至3μA的静态电流可用，但仍然有足够的电池电压可用于唤醒操作。图3显示了由nBYP讯号控制的升压模式和低IQ强制旁路模式之间的转换。

图3　 低IQ强制旁路

强制FAN48623进入旁路模式，可实现全电池输出与接近零消耗，从而能够以极小的损耗提供最大的电源电压。真正的负载断开功能还意味着可以断开「漏电负载」与电池电压的连接。

比较一下支持旁路的升压与使用降压/升压稳压器的传统方式。在传统方式下，升压转换会在VIN较低时限制整体效率。而使用具旁路的升压拓扑可实现更高的效率（高达96%），即使当稳压器与其他降压稳压器或LDO串联时，整体端到端效率也会保持很高。利用升压加旁路方式，升压转换效率会比同等大小的降压-升压解决方案（》1A负载电流范围）高出10%。

当出现突然的负载变化时，电池和电源子系统会受到压力。当负载增加而电池和电源无法应对时，电源系统将面对更艰困的挑战。假设电池内阻为200mΩ，当施加1A负载时，由于ESR降低，电池电压迅速由起始充电电压4.2V降至低于4V。

现在来看一下使用FAN48623升压加旁路方式的系统动态。由于快速升压模式转换，控制回路可以处理较高的VIN（dV/dt）转换速率，如图4所示，其中600mV线路电压瞬间从3.0变为3.6VIN，下降沿为10μs，负载电流为500mA，输出电压VOUT为3.3V。

图4　 自动旁路模式下的线路瞬态响应

升压和旁路工作模式之间的转换很快：当VIN大于目标VOUT，并且非常密切地跟随瞬态时，IC在5μs 内进入旁路模式。

图5　 PMIC内部升压稳压器的应用示意图

图6　 升压RF DC/DC的应用示意

旁路升压稳压器搞定行动装置电源设计各种难题

支持旁路模式的升压稳压器可以应用在行动装置电源系统中的许多环节，例如PMIC、RF DC/DC、D类音讯放大器等，以下将介绍几种典型应用案例。

PMIC内部的电压稳压器

PMIC内的某些电压稳压器（降压和 LDO）需要极小的输入电压来维持正常操作。

RF DC/DC

传统上，用于驱动天线的2G RF功率放大器（PA）直接连接到电池。3G RF功率放大器则使用动态可调 DC/DC转换器来提供降压电压Vcc。DC-DC转换器提高可携式通讯设备中的RF PA系统效率，能够降低功耗、延长电池寿命并减少热量。

使用FAN48623，当电池电压过低时，电池电压会被升高。

D 类音讯放大器

几乎通用于所有音频信道的D类开关模式放大器也带来新的挑战。回想一下，可用电源与电源电压的平方成正比，因此电源电压即便只有微小的增加，也会导致明显增大的放大器净空距离和潜在的电源输出。设计人员可以使用FAN48623为扬声器驱动器供电，并获得高效率的功率提升。FAN48623将VBATT增至较高的电压，并提高扬声器的音量。凭借其高电流性能，FAN48623能够同时驱动两个或更多的 D类音讯放大器。

图7　 升压 D 类音讯放大器的应用示意图

图8　 OTG应用示意图

USB On The Go （OTG）

随着智能手机、数字相机、平板计算机和其他行动设备的技术进步，不用通过计算机而能直接与这些设备互连的需求也增加了。

针对USB OTG应用，电源系统需要升压转换器将电池电压升高到5V电压，从而为连接USB埠的其他便携设备供电。采用一般的电池充电器，OTG的供电能力通常限制在200∼500mA。FAN48623能够支持两个USB 3.0埠，可与电池充电器共享相同的电感器，这有助于降低BOM和整体成本。当电池处于充电模式时，FAN48623完全关闭，电池充电器通过USB电源运行。

在没有电池，直接从USB埠供电的情况下，FAN48623的强制旁路模式操作还有利于促进生产测试模式（PTM）。

旁路模式克服行动装置电源设计挑战

支持旁路模式的升压稳压器非常适合当今高耗电、变化范围大的负载。以FAN48623为例，该组件可接受2.5V ∼5.5V输入电压，固定输出电压则为3V∼5V。VIN为2.5V且VOUT为3.3V时，最大连续负载电流为2.5A。可用的最大输出电流取决于VIN/VOUT比率。每个选项都支持两个工厂程序设计的输出电压，可通过VSEL引脚选择。该装置可以设置为强制旁路状态，从而减少不需要升压运行时的静态电流。