Thiết kế mạch chuyển đổi Buck Boost: Tối đa hóa thời gian chạy pin Li-Ion đơn cell với bộ điều chỉnh đồng bộ ET80101 1A

Thiết kế nhỏ gọn, hiệu quả cao mạch chuyển đổi tăng cường Buck là điều cần thiết bất cứ khi nào đường ray hệ thống được điều chỉnh—chẳng hạn như 3,3V hoặc 3,5V—phải hoạt động liên tục trong phạm vi điện áp đầu vào dao động cả trên và dưới điện áp đầu ra mục tiêu. Pin lithium-ion đơn (Li-ion) hoặc lithium-polymer (LiPo) mới được sạc mới bắt đầu từ 4,2V đến 4,45V (VIN > VOUT), đi trực tiếp qua vùng điều chỉnh 3,3V–3,5V trong quá trình phóng điện giữa chừng (VIN ≈ VOUT) và tiếp tục cung cấp năng lượng có thể sử dụng xuống 2,7V hoặc thậm chí 2,2V dưới tải xung (VIN < VOUT).

Để mở khóa đường cong xả pin đầy đủ trong phần cứng bị giới hạn về không gian, Vi điện tử ETEK thiết kế ET80101, bộ chuyển đổi DC-DC tăng áp đồng bộ có dòng tĩnh cực thấp (< 5 µA), 1A với giao diện I2C 1 MHz trong gói WLCSP9 1,28 mm × 1,28 mm.

Trong bài viết này bạn sẽ học:

• Tại sao hệ thống Li-ion đơn cell cần mạch chuyển đổi tăng cường Buck không đảo
• Ba rào cản thiết kế cổ điển trong cấu trúc liên kết tăng cường điện cảm đơn
• Cách ET80101 đạt được sự chuyển tiếp 3 chế độ liền mạch, < 5 µA IQ và thang đo điện áp I2C 1 MHz
• Bố trí thực tế và các quy tắc lựa chọn cuộn cảm cho thiết kế WLCSP9

Mạch chuyển đổi Buck Boost là gì?

Đồng bộ không đảo mạch chuyển đổi tăng cường Buck là bộ điều chỉnh chuyển mạch DC-DC sử dụng bốn công tắc MOSFET bên trong được bố trí xung quanh một cuộn cảm nguồn duy nhất để giảm điện áp đầu vào (chế độ Buck), tăng (chế độ Boost) hoặc điều chỉnh trơn tru khi điện áp đầu vào và đầu ra gần bằng nhau (chế độ Buck-Boost). Điều này cho phép tải 3,3V hoặc 3,5V cố định chạy trên toàn bộ dải điện áp của pin đang xả.

Ba thách thức trong thiết kế Buck-Boost cuộn cảm đơn

1. Ripple chuyển chế độ khi VIN ≈ VOUT

Trong các IC tăng cường được kiểm soát kém, hoạt động gần điểm giao nhau trong đó điện áp đầu vào bằng điện áp đầu ra khiến bộ điều khiển phải tìm kiếm liên tục giữa chế độ giảm dần và tăng dần. Việc chuyển đổi chế độ này đưa gợn sóng tần số thấp vào đường ray đầu ra, làm nhiễu loạn các ADC nhạy cảm, cảm biến vân tay và mô-đun quang học.

2. Xả pin khi tải nhẹ

Các thiết bị điện tử cầm tay và đeo được dành phần lớn vòng đời của chúng ở trạng thái không hoạt động hoặc ngủ để tạo ra microampe. Nếu bộ điều khiển tăng tốc tiêu thụ hàng chục microampe dòng tĩnh (IQ), thời gian chạy của pin ở chế độ chờ sẽ giảm mạnh.

3. Rò rỉ đầu ra khi tắt máy

Các giai đoạn tăng cường thông thường chứa một đường dẫn nội tại từ đầu vào đến đầu ra thông qua diode thân bộ chỉnh lưu đồng bộ phía cao. Nếu không ngắt kết nối tải thực sự, việc tắt bộ điều chỉnh sẽ không cách ly được các tải hạ lưu khỏi pin.

Cách ET80101 tối ưu hóa mạch chuyển đổi Buck Boost

các ET80101 giải quyết từng hạn chế này thông qua kiến ​​trúc đồng bộ tần số cao (> 1 MHz) tích hợp tất cả các công tắc nguồn, bù vòng lặp, khởi động mềm và điều khiển kỹ thuật số vào gói quy mô chip cấp độ bán dẫn.

Chuyển đổi 3 chế độ liền mạch (Buck, Buck-Boost và Boost)

Trên khắp nó Dải điện áp đầu vào 2.2V đến 5.0V, ET80101 cung cấp tới 1A dòng điện đầu ra liên tục trong khi tự động lựa chọn trong số ba chế độ vận hành:

• Chế độ Buck (VIN > VOUT): Giảm điện áp pin cao với tổn thất chuyển đổi tối thiểu.
• Chế độ Buck-Boost mới (VIN ≈ VOUT): Kết nối vùng chéo một cách trơn tru khi điện áp đầu vào gần bằng điện áp đầu ra.
• Chế độ tăng cường (VIN < VOUT): Tăng điện áp pin đã xả sâu xuống 2.2V, ngăn chặn việc thiết lập lại hệ thống sớm trong thời gian bùng nổ dòng điện cao điểm.

Quá trình chuyển đổi chế độ diễn ra ở các ngưỡng được xác định nghiêm ngặt, loại bỏ việc chuyển đổi chế độ không mong muốn trong vùng giao nhau VIN ≈ VOUT và giữ cho điện áp đầu ra ở mức thấp. Bộ chuyển đổi cũng hỗ trợ vận hành dòng điện thuận và ngược với các giới hạn dòng điện thuận và ngược chuyên dụng.

< 5 µA Dòng tĩnh với chế độ Auto-PFM và cưỡng bức

Để tối đa hóa thời gian chạy pin trong thiết bị đeo được và ổ khóa thông minh, ET80101 thu hút dòng tĩnh hoạt động nhỏ hơn 5 µA Và ít hơn 1 µA khi tắt máy. Các kỹ sư có thể chọn giữa hai chế độ chuyển đổi thông qua I²C:

• Chế độ PFM (Điều chế tần số xung) tự động: Tự động chuyển sang chế độ bỏ qua xung khi tải nhẹ để duy trì hiệu suất cao trên toàn bộ phạm vi tải.
• Chế độ bắt buộc (FPWM): Duy trì chuyển đổi tần số cố định liên tục (> 1 MHz) trên tất cả các dòng tải để có hiệu suất quang phổ xác định và gợn sóng đầu ra tối thiểu.

Mặc định phần cứng VSEL cộng với thang đo điện áp động I2C 1 MHz

Khi bật nguồn—trước khi MCU chủ khởi tạo bus I2C—chân VSEL đặt cả điện áp đầu ra phần cứng mặc định và địa chỉ phụ I2C 7 bit, cho phép hai bộ điều chỉnh ET80101 chia sẻ cùng một bus I2C mà không cần bộ ghép kênh bên ngoài:

Sau khi chạy, bộ xử lý chủ có thể giao tiếp qua Giao diện I2C ở chế độ Plus tốc độ cao (lên đến 1 MHz) ĐẾN:

• Chương trình VOUT từ 2.025V đến 5.2V ổn thôi 25 mV/bước sự gia tăng
• Kiểm soát tốc độ chuyển đổi điện áp đầu ra trong quá trình điều chỉnh điện áp động (DVS)
• Chọn chế độ Auto-PFM hoặc FPWM đang bay
• Quản lý khởi động/tắt phần mềm, cờ trạng thái và tín hiệu Power Good (PG)

Ngắt kết nối tải thực sự, Khởi động mềm 500 µs và Bảo vệ toàn diện

Không giống như các bộ chuyển đổi tăng tốc tiêu chuẩn, ET80101 thực hiện Ngắt kết nối tải thực sự trong khi tắt máy, cách ly đường ray đầu ra khỏi pin đầu vào. Khi bị vô hiệu hóa, mạch phóng điện tích cực sẽ xả điện dung đầu ra xuống đất bên trong 20 mili giây.

Trong khi bật, một lỗi cố định bên trong Khởi động mềm 500 µs hạn chế dòng điện khởi động của pin. Bảo vệ lỗi bao gồm giới hạn dòng điện theo từng chu kỳ, bảo vệ ngắn mạch khi xảy ra trục trặc, bảo vệ dưới điện áp không chốt (UVP) và tắt máy do nhiệt (TSD).

Thông số kỹ thuật chính của ET80101

Ứng dụng điển hình

• Thiết bị đeo nhỏ gọn: Đồng hồ thông minh, dây đeo thể dục, kính AR/VR và miếng dán y tế có điện áp LiPo đơn bào giảm xuống dưới 3,3V khi tải đèn LED xung hoặc truyền tải không dây.
• Ổn áp: Thiết bị Datacom, mô-đun thu phát quang và các giai đoạn làm mát/sưởi ấm nhiệt điện (TEC).
• Bộ điều chỉnh trước hệ thống: Điện thoại thông minh, máy tính bảng, thiết bị đầu cuối POS và thiết bị viễn thông gặp hiện tượng sụt áp pin khi xảy ra xung RF.
• Quy định điểm tải (PoL): Cảm biến công nghiệp có dây, bộ chuyển đổi cổng/cáp và khóa điện tử bù cho tình trạng rớt IR của cáp.
• Cảm biến vân tay và camera: Khóa cửa điện tử thông minh và camera mạng IP yêu cầu nguồn điện cảm biến 3,3V hoặc 3,5V ổn định trên các trạng thái xả pin.

Để biết các yêu cầu giảm điện áp cao hơn, hãy xem bài viết liên quan của chúng tôi về Bộ chuyển đổi Buck đồng bộ ETEK ET81313 17V 3A trong SOT563.

Mẹo bố trí PCB cho mạch Buck-Boost WLCSP9

• Giảm thiểu cả vòng lặp chuyển đổi đầu vào và đầu ra: Do mạch chuyển đổi tăng cường Buck chuyển đổi dòng điện không liên tục ở phía đầu vào ở chế độ Buck và ở phía đầu ra ở chế độ Tăng cường, nên hãy đặt các tụ tách gốm ESR X5R/X7R có ESR thấp ngay cạnh các điểm va chạm VIN, VOUT và GND của gói WLCSP9.
• Giữ nút chuyển đổi nhỏ gọn: Đặt cuộn cảm nguồn càng gần các chân SW1 và SW2 càng tốt bằng cách sử dụng các vết đồng ngắn và rộng ở lớp trên cùng.
• Cách ly các dòng điều khiển kỹ thuật số: Định tuyến các đường I2C 1 MHz (SDA, SCL) và VSEL cách xa các nút chuyển mạch cuộn cảm để tránh hiện tượng ghép nhiễu điện dung.
• Kích thước dòng điện bão hòa của cuộn cảm cho hoạt động tăng cường VIN thấp: Đảm bảo định mức dòng bão hòa của cuộn cảm vượt quá dòng điện cực đại ở điện áp đầu vào tối thiểu (2,2V) và tải đầu ra 1A đầy đủ.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao nên sử dụng mạch chuyển đổi tăng cường Buck thay vì bộ chuyển đổi Buck tiêu chuẩn cho pin Li-ion một cell?

Pin Li-ion một cell phóng điện từ 4,2V–4,45V xuống 2,7V–2,5V và có thể giảm xuống 2,2V trong giây lát khi có xung dòng điện lớn hoặc nhiệt độ lạnh. Bộ chuyển đổi Buck sẽ mất quy định ngay khi VIN giảm xuống gần 3,4V, khiến 20% đến 35% dung lượng pin không được sử dụng. các Mạch chuyển đổi tăng áp Buck ET80101 điều chỉnh liền mạch xuống 2.2V, trích xuất toàn bộ phí có thể sử dụng.

ET80101 có thể hoạt động mà không cần lập trình phần mềm I²C không?

Đúng. Trong khi giao diện I2C 1 MHz mở khóa thang đo điện áp động từ 2.025V đến 5.2V (ở các bước 25 mV) và lựa chọn chế độ, ET80101 khởi động tự động bằng cách sử dụng chân VSEL phần cứng của nó: buộc các đầu ra VSEL Low 3,3V (0x76) và buộc đầu ra VSEL High 3,5V (0x75).

Hai bộ điều chỉnh tăng tốc ET80101 có thể dùng chung một bus I²C không?

Đúng. Bởi vì chân VSEL cấu hình hai địa chỉ nô lệ I2C 7 bit riêng biệt—0x75 (1110101) khi VSEL = Cao và 0x76 (1110110) khi VSEL = Thấp—hai thiết bị ET80101 có thể kết nối trực tiếp với cùng một bus SDA/SCL và được lập trình độc lập sau khi khởi động.

Điều gì xảy ra với đường ray đầu ra khi tắt ET80101?

Khi bị tắt, ET80101 sẽ kích hoạt Ngắt kết nối tải thực sự để cách ly đầu ra khỏi nguồn cung cấp đầu vào (dòng tắt <1 µA) và gắn một công tắc phóng điện tích cực bên trong để xả đường ray đầu ra xuống đất trong 20 mili giây.

Kết luận: Sử dụng toàn bộ pin trong phạm vi 1,28 mm × 1,28 mm

Đối với thiết bị đeo Li-ion đơn bào, khóa thông minh và mô-đun quang học, ET80101 cung cấp đồng bộ 1A hoàn chỉnh mạch chuyển đổi tăng cường Buck với khả năng chuyển đổi 3 chế độ liền mạch, dòng tĩnh < 5 µA và khả năng lập trình I2C 1 MHz trong gói WLCSP9 siêu nhỏ gọn.

👉 Ghé thăm Trang sản phẩm ET80101 và khám phá ETEK Danh mục bộ chuyển đổi DC-DC

✉️ Yêu cầu mẫu: https://www.etekmicro.com/sample