Conception du circuit du convertisseur Buck Boost : optimisation de l'autonomie de la batterie Li-Ion à cellule unique avec le régulateur synchrone ET80101 1A

Concevoir un appareil compact et performant circuit convertisseur Buck Boost est essentiel chaque fois qu'un rail de système régulé, tel que 3,3 V ou 3,5 V, doit fonctionner en continu sur une plage de tension d'entrée qui oscille à la fois au-dessus et en dessous de la tension de sortie cible. Une batterie monocellulaire lithium-ion (Li-ion) ou lithium-polymère (LiPo) fraîchement chargée démarre entre 4,2 V et 4,45 V (VIN > VOUT), traverse directement la zone de régulation 3,3 V-3,5 V à mi-décharge (VIN ≈ VOUT) et continue de fournir de l'énergie utilisable jusqu'à 2,7 V ou même 2,2 V sous des charges pulsées (VIN < VOUT).

Pour déverrouiller la courbe de décharge complète de la batterie dans un matériel limité en espace, ETEK Microélectronique conçu le ET80101, un convertisseur CC-CC synchrone abaisseur-boost de 1 A à courant de repos ultra faible (< 5 µA) avec une interface I²C de 1 MHz dans un boîtier WLCSP9 de 1,28 mm × 1,28 mm.

Dans cet article, vous apprendrez :

• Pourquoi les systèmes Li-ion à cellule unique ont besoin d'un circuit convertisseur abaisseur non inverseur
• Trois obstacles de conception classiques dans les topologies Buck-Boost à inducteur unique
• Comment l'ET80101 réalise des transitions transparentes à 3 modes, un QI < 5 µA et une mise à l'échelle de tension I²C de 1 MHz
• Règles pratiques de disposition et de sélection des inductances pour les conceptions WLCSP9

Qu'est-ce qu'un circuit convertisseur Buck Boost ?

Un synchrone non inverseur circuit convertisseur Buck Boost est un régulateur à découpage DC-DC qui utilise quatre commutateurs MOSFET internes disposés autour d'un seul inducteur de puissance pour abaisser les tensions d'entrée (mode Buck), les augmenter (mode Boost) ou réguler en douceur lorsque les tensions d'entrée et de sortie sont presque égales (mode Buck-Boost). Cela permet à une charge fixe de 3,3 V ou 3,5 V de fonctionner sur toute la plage de tension d'une batterie en décharge.

Trois défis dans les conceptions Buck-Boost à inducteur unique

1. Ondulation de transition de mode lorsque VIN ≈ VOUT

Dans les circuits intégrés Buck-Boost mal contrôlés, le fonctionnement à proximité du point de croisement où la tension d'entrée est égale à la tension de sortie amène le contrôleur à rechercher à plusieurs reprises entre les modes abaisseur et élévateur. Ce basculement de mode injecte une ondulation basse fréquence sur le rail de sortie, perturbant les CAN sensibles, les capteurs d'empreintes digitales et les modules optiques.

2. Vidange de la batterie à faible charge

Les appareils électroniques portables et portables passent la majeure partie de leur cycle de vie dans des états d'inactivité ou de veille, consommant des microampères. Si le contrôleur Buck-Boost consomme des dizaines de microampères de courant de repos (IQ), l'autonomie de la batterie de secours diminue fortement.

3. Fuite de sortie lors de l'arrêt

Les étages élévateurs conventionnels contiennent un chemin de conduction intrinsèque de l'entrée à la sortie via la diode du corps du redresseur synchrone côté haut. Sans véritable déconnexion de charge, la désactivation du régulateur ne parvient pas à isoler les charges en aval de la batterie.

Comment l'ET80101 optimise le circuit du convertisseur Buck Boost

Le ET80101 répond à chacune de ces limitations grâce à une architecture synchrone haute fréquence (> 1 MHz) qui intègre tous les commutateurs de puissance, la compensation de boucle, le démarrage progressif et le contrôle numérique dans un boîtier à l'échelle d'une puce au niveau de la tranche.

Transitions transparentes à 3 modes (Buck, Buck-Boost et Boost)

À travers son Plage de tension d'entrée de 2,2 V à 5,0 V, l'ET80101 offre jusqu'à 1A de courant de sortie continu tout en sélectionnant automatiquement parmi trois régimes de fonctionnement :

• Mode Buck (VIN > VOUT) : Réduit les tensions élevées de la batterie avec un minimum de pertes de commutation.
• Nouveau mode Buck-Boost (VIN ≈ VOUT) : Ponte la région de croisement en douceur lorsque la tension d'entrée approche la tension de sortie.
• Mode Boost (VIN < VOUT) : Augmente les tensions de batterie profondément déchargées jusqu'à 2,2 V, empêchant les réinitialisations prématurées du système lors des pointes de courant.

Les transitions de mode se produisent à des seuils strictement définis, éliminant les basculements de mode indésirables dans la zone de croisement VIN ≈ VOUT et maintenant l'ondulation de la tension de sortie à un niveau faible. Le convertisseur prend également en charge le fonctionnement en courant direct et inverse avec des limites de courant directes et inverses dédiées.

Courant de repos < 5 µA avec modes Auto-PFM et PWM forcé

Pour maximiser l'autonomie de la batterie dans appareils portables et serrures intelligentes, l'ET80101 attire moins de 5 µA de courant de repos en fonctionnement et moins de 1 µA en arrêt. Les ingénieurs peuvent choisir entre deux modes de commutation via I²C :

• Mode PFM (modulation de fréquence d'impulsion) automatique : Entre automatiquement le saut d'impulsion à des charges légères pour maintenir une efficacité élevée sur toute la plage de charge.
• Mode PWM forcé (FPWM) : Maintient une commutation continue à fréquence fixe (> 1 MHz) sur tous les courants de charge pour des performances spectrales déterministes et une ondulation de sortie minimale.

Valeurs par défaut du VSEL matériel et mise à l'échelle de tension dynamique I²C de 1 MHz

À la mise sous tension, avant que le MCU hôte n'initialise son bus I²C, la broche VSEL définit à la fois la tension de sortie matérielle par défaut et l'adresse esclave I²C 7 bits, permettant à deux régulateurs ET80101 de partager le même bus I²C sans multiplexeur externe :

Une fois exécuté, le processeur hôte peut communiquer via le Interface I²C haut débit en mode Plus (jusqu'à 1 MHz) à:

• Programmer VOUT de 2,025V à 5,2V in fine 25 mV/pas incréments
• Vitesse de montée de transition de tension de sortie de contrôle pendant la mise à l'échelle dynamique de la tension (DVS)
• Sélectionnez le mode Auto-PFM ou FPWM à la volée
• Gérer le démarrage/arrêt du logiciel, les indicateurs d'état et la signalisation Power Good (PG)

Déconnexion de charge réelle, démarrage progressif de 500 µs et protection complète

Contrairement aux convertisseurs boost standard, l'ET80101 implémente Véritable déconnexion de charge pendant l'arrêt, isoler le rail de sortie de la batterie d'entrée. Lorsqu'il est désactivé, un circuit de décharge actif intégré purge la capacité de sortie vers la terre dans les limites 20 ms.

Lors de la mise sous tension, un fixe interne Démarrage progressif 500 µs limite le courant d’appel de la batterie. La protection contre les défauts comprend une limite de courant cycle par cycle, une protection contre les courts-circuits en cas de hoquet, une protection contre les sous-tensions sans verrouillage (UVP) et un arrêt thermique (TSD).

ET80101 Spécifications clés

Applications typiques

• Appareils portables compacts : Montres intelligentes, bracelets de fitness, lunettes AR/VR et patchs médicaux où la tension LiPo d'une seule cellule tombe en dessous de 3,3 V pendant des charges de transmission LED pulsées ou sans fil.
• Stabilisateurs de tension : Équipements de communication de données, modules émetteurs-récepteurs optiques et étages de refroidissement/chauffage thermoélectriques (TEC).
• Pré-régulateurs du système : Les smartphones, tablettes, terminaux de point de vente et unités télématiques subissent un affaissement de la tension de la batterie lors des rafales RF.
• Réglementation au point de chargement (PoL) : Capteurs industriels câblés, adaptateurs de port/câble et dongles compensant la chute IR du câble.
• Capteurs d'empreintes digitales et de caméra : Serrures de porte électroniques intelligentes et caméras réseau IP nécessitant une alimentation de capteur stable de 3,3 V ou 3,5 V dans les états de décharge de la batterie.

Pour les exigences d'abaissement de tension plus élevée, consultez notre article connexe sur le ETEK ET81313 Convertisseur abaisseur synchrone 17V 3A en SOT563.

Conseils de disposition des PCB pour les circuits Buck-Boost WLCSP9

• Minimisez les boucles de commutation d’entrée et de sortie : Étant donné qu'un circuit convertisseur abaisseur-élévateur commute des courants discontinus du côté entrée en mode Buck et du côté sortie en mode Boost, placez des condensateurs de découplage céramique X5R/X7R à faible ESR immédiatement à côté des bosses VIN, VOUT et GND du boîtier WLCSP9.
• Gardez les nœuds de commutation compacts : Placez l'inductance de puissance aussi près que possible des broches SW1 et SW2 en utilisant des traces de cuivre courtes et larges sur la couche supérieure.
• Isoler les lignes de contrôle numérique : Acheminez les lignes I²C 1 MHz (SDA, SCL) et VSEL loin des nœuds de commutation d'inductance pour éviter le couplage de bruit capacitif.
• Courant de saturation de l'inducteur de taille pour un fonctionnement Boost à faible VIN : Assurez-vous que le courant de saturation nominal de l'inducteur dépasse le courant de crête de l'inducteur à une tension d'entrée minimale (2,2 V) et à une charge de sortie complète de 1 A.

Foire aux questions

Pourquoi utiliser un circuit convertisseur abaisseur au lieu d'un convertisseur abaisseur standard pour une batterie Li-ion monocellulaire ?

Une batterie Li-ion monocellulaire se décharge de 4,2 V à 4,45 V jusqu'à 2,7 V à 2,5 V et peut momentanément plonger vers 2,2 V sous de fortes impulsions de courant ou à des températures froides. Un convertisseur abaisseur perd la régulation dès que le VIN tombe près de 3,4 V, laissant 20 à 35 % de la capacité de la batterie inutilisée. Le Circuit convertisseur abaisseur ET80101 régule de manière transparente jusqu'à 2,2 V, extrayant la totalité de la charge utilisable.

L'ET80101 peut-il fonctionner sans programmation logicielle I²C ?

Oui. Alors que l'interface I²C 1 MHz déverrouille la mise à l'échelle dynamique de la tension à partir de 2,025 V à 5,2 V (par pas de 25 mV) et sélection du mode, l'ET80101 démarre de manière autonome à l'aide de sa broche matérielle VSEL : liaison des sorties VSEL Low 3,3 V (0x76) et lier les sorties VSEL High 3,5 V (0x75).

Deux régulateurs abaisseur-boost ET80101 peuvent-ils partager le même bus I²C ?

Oui. Parce que la broche VSEL configure deux adresses esclaves I²C 7 bits distinctes :0x75 (1110101) lorsque VSEL = Haut et 0x76 (1110110) lorsque VSEL = Low : deux appareils ET80101 peuvent se connecter directement au même bus SDA/SCL et être programmés indépendamment après le démarrage.

Qu'arrive-t-il au rail de sortie lorsque l'ET80101 est arrêté ?

Lorsqu'il est désactivé, l'ET80101 s'active Véritable déconnexion de charge pour isoler la sortie de l'alimentation d'entrée (courant d'arrêt < 1 µA) et enclenche un interrupteur de décharge actif interne qui décharge le rail de sortie à la terre dans les limites 20 ms.

Conclusion : utilisation complète de la batterie dans un encombrement de 1,28 mm × 1,28 mm

Pour les appareils portables Li-ion monocellulaires, les serrures intelligentes et les modules optiques, le ET80101 fournit un synchrone 1A complet circuit convertisseur Buck Boost avec des transitions transparentes à 3 modes, un courant de repos < 5 µA et une programmabilité I²C de 1 MHz dans un boîtier WLCSP9 ultra-compact.

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