便攜式電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)指南：Microchip解決方案深度解析

一、引言

在當(dāng)今的電子設(shè)備領(lǐng)域，便攜式設(shè)備的發(fā)展日新月異。從智能手機(jī)到可穿戴設(shè)備，這些設(shè)備對(duì)電源轉(zhuǎn)換提出了獨(dú)特而具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)要求。一方面，為了滿足小型化的需求，電源轉(zhuǎn)換解決方案需要盡可能小的占用空間；另一方面，為了延長(zhǎng)電池壽命，需要高轉(zhuǎn)換效率和低待機(jī)功耗。Microchip公司提供了一系列豐富的解決方案，涵蓋了降壓、升壓、線性穩(wěn)壓、背光解決方案以及電池充電管理等多個(gè)方面，能夠有效應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

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二、DC/DC轉(zhuǎn)換

（一）降壓（Buck）開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器

1. 優(yōu)勢(shì) 開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器在寬輸入電壓范圍和高輸出電流應(yīng)用中，相較于線性穩(wěn)壓器，能顯著提高效率，從而延長(zhǎng)便攜式應(yīng)用中的電池續(xù)航時(shí)間。降壓轉(zhuǎn)換器用于調(diào)節(jié)輸出電壓，使其始終低于源電壓，利用電感和電容進(jìn)行能量存儲(chǔ)，效率通常能超過90%，某些情況下甚至超過95%。
2. 典型產(chǎn)品
   • MCP16301/H：高度集成、高效、固定頻率的降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，采用流行的6引腳SOT - 23封裝。輸入電壓范圍廣，效率高達(dá)96%，輸出電壓精度為2%，具有多種保護(hù)功能，適用于12V和24V工業(yè)/SLA電池輸入的DC - DC轉(zhuǎn)換。
   • MCP16311/2：緊湊型、高效、固定頻率的PWM/PFM同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，有8引腳MSOP或2×3 TDFN封裝。輸入電壓范圍為4.4V至30V，輸出電壓范圍為2.0V至24V，效率可達(dá)95%，具備自動(dòng)脈沖頻率調(diào)制/脈沖寬度調(diào)制（PFM/PWM）操作模式。
   • MCP16323：完全集成的同步降壓dc/dc轉(zhuǎn)換器，輸入范圍為6V至18V，輸出電壓可調(diào)節(jié)在0.9V至5V之間，輸出電流可達(dá)3A，典型效率高達(dá)95%，采用3×3 mm QFN封裝，具有多種保護(hù)功能和靈活的輸出電壓選項(xiàng)。
   • MCP1603/L/B：高效、完全集成的500 mA同步降壓穩(wěn)壓器，輸入范圍為2.7V至5.5V，適用于電池供電應(yīng)用。在重負(fù)載時(shí)以2.0 MHz固定頻率PWM模式工作，輕負(fù)載時(shí)自動(dòng)切換到PFM模式以降低靜態(tài)電流消耗，提高電池續(xù)航時(shí)間。

（二）線性穩(wěn)壓器

1. 特點(diǎn) 線性穩(wěn)壓器能從變化的輸入電壓源為系統(tǒng)負(fù)載提供精確的穩(wěn)壓輸出。與開關(guān)穩(wěn)壓器相比，它們通常體積更小、更簡(jiǎn)單，且能減少電氣噪聲。雖然效率一般低于降壓穩(wěn)壓器，但對(duì)于小電壓變化或低電流應(yīng)用，絕對(duì)功率損耗可能較小。
2. 典型產(chǎn)品
   • MCP1703A：CMOS低 dropout電壓穩(wěn)壓器，最大輸出電流為250 mA，輸入電壓范圍為2.7V至16V，靜態(tài)電流僅為2 μA，適用于使用9V堿性、鋰離子或多節(jié)電池電源的應(yīng)用。
   • MCP1710：超低靜態(tài)電流LDO穩(wěn)壓器，能提供高達(dá)200 mA的電流，靜態(tài)電流低至20 nA，采用2×2 DFN封裝，適用于對(duì)功耗要求極高的應(yīng)用。
   • MCP1755：16V、高PSRR電壓穩(wěn)壓器，具有短路電流折返功能，能提供高達(dá)300 mA的輸出電流，輸入電壓范圍為3.6V至16V，適用于汽車和商業(yè)12V DC系統(tǒng)。

（三）升壓（Boost）開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器

1. 工作原理 升壓轉(zhuǎn)換器將未調(diào)節(jié)的輸入電壓升高到調(diào)節(jié)后的輸出電壓，常用于單節(jié)和雙節(jié)堿性、鎳氫和新型不可充電鋰電池應(yīng)用。
2. 典型產(chǎn)品
   • MCP16251：超低靜態(tài)電流、PFM/PWM同步升壓穩(wěn)壓器，具有真正的輸出斷開或輸入/輸出旁路選項(xiàng)。典型效率高達(dá)96%，靜態(tài)電流低至4 μA，啟動(dòng)電壓低至0.82V，適用于對(duì)功耗敏感的應(yīng)用。
   • MCP1640：緊湊型、高效、固定頻率的同步升壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，適用于由1 - 3節(jié)堿性、鎳鎘、鎳氫、單節(jié)鋰離子或單節(jié)鋰聚合物電池供電的應(yīng)用。典型效率高達(dá)96%，啟動(dòng)輸入電壓低至0.65V，具有多種操作模式和保護(hù)功能。

三、背光解決方案

（一）開關(guān)調(diào)節(jié)器

1. MCP1643：緊湊型、高效、固定頻率的同步升壓LED驅(qū)動(dòng)器，具有恒流功能，可從單節(jié)和雙節(jié)堿性、鎳氫和鎳鎘電池供電。輸出電壓高達(dá)5V，能驅(qū)動(dòng)單個(gè)白色或藍(lán)色LED，或串聯(lián)的紅色、綠色和黃色LED對(duì)，輸出電流可達(dá)550 mA，效率高達(dá)90%。
2. MCP16312：可作為恒流源驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)LED，通過在LED陰極和地之間使用感測(cè)電阻，利用反饋信號(hào)調(diào)節(jié)內(nèi)部MOSFET的占空比，實(shí)現(xiàn)LED串的恒流輸出。
3. MCP16301：可設(shè)計(jì)成低元件數(shù)量的C′uk電路，能在6V至18V輸入下工作，提供高達(dá)300 mA的電流，適用于驅(qū)動(dòng)多個(gè)串聯(lián)的LED。

（二）電荷泵DC/DC轉(zhuǎn)換器

MCP1256、MCP1257、MCP1258和MCP1259是無電感、正調(diào)節(jié)的電荷泵DC/DC轉(zhuǎn)換器，能從1.8V至3.6V輸入產(chǎn)生3.3V調(diào)節(jié)輸出電壓，適用于由雙節(jié)堿性、雙節(jié)鎳鎘、雙節(jié)鎳氫或單節(jié)鋰原電池供電的應(yīng)用。這些器件能自動(dòng)在1.5×至2×升壓操作模式之間切換，以保持高效率，還具有睡眠模式、旁路功能、低功耗關(guān)機(jī)模式等特點(diǎn)。

四、電池管理

（一）線性電池充電器

Microchip提供完整的線性鋰離子電池充電器產(chǎn)品線，Li - Ion充電管理控制器能以較少的外部元件提供可靠、低成本和高精度的電壓調(diào)節(jié)解決方案。

1. MCP73830：?jiǎn)喂?jié)鋰離子/鋰聚合物電池充電管理控制器，具有多種充電功能，如電池預(yù)充電、可編程充電電流、充電結(jié)束閾值和計(jì)時(shí)等，能在低元件數(shù)量、小面積電路中最大化電池容量并最小化充電時(shí)間。
2. MCP73113、MCP73123：除了MCP73830的功能外，還包括充電狀態(tài)輸出、過電壓保護(hù)和更多充電結(jié)束閾值、安全計(jì)時(shí)器和充電電流選項(xiàng)。

（二）可編程電池充電器

1. MCP19111：可編程電池充電器參考設(shè)計(jì)，輸入范圍為6V至28V，可配置為對(duì)鎳氫、鋰離子和鋰鐵氧體電池進(jìn)行多串聯(lián)和并聯(lián)配置充電。使用MCP19111數(shù)字增強(qiáng)型功率模擬PWM控制器將較高的輸入電壓降壓到較低的輸出電壓，同時(shí)調(diào)節(jié)電流或電壓以正確充電所選電池化學(xué)物質(zhì)。
2. MCP1631：模擬PWM控制器與PIC微控制器結(jié)合，用于開發(fā)智能電池充電器。MCP1631HV提供驅(qū)動(dòng)多種功率拓?fù)渌璧哪M電路，PIC MCU用于開發(fā)可編程充電算法以適應(yīng)串聯(lián)電池?cái)?shù)量和化學(xué)物質(zhì)。

五、相關(guān)支持材料

（一）應(yīng)用筆記

Microchip網(wǎng)站提供了一系列應(yīng)用筆記，涵蓋了降壓開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)、鋰離子/鋰聚合物電池充電、智能電池充電器設(shè)計(jì)等多個(gè)方面，為工程師提供了深入的技術(shù)指導(dǎo)。

（二）評(píng)估板

Microchip提供了多種評(píng)估板，幫助工程師評(píng)估不同器件系列的性能，包括降壓調(diào)節(jié)器、升壓轉(zhuǎn)換器、LED驅(qū)動(dòng)器、電池充電器等，方便工程師進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)和測(cè)試。

六、總結(jié)

Microchip的便攜式電源轉(zhuǎn)換解決方案為電子工程師提供了豐富的選擇，能夠滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下的電源轉(zhuǎn)換需求。無論是在降壓、升壓、線性穩(wěn)壓、背光解決方案還是電池管理方面，都有相應(yīng)的高性能產(chǎn)品和完善的支持材料。工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)便攜式設(shè)備時(shí)，可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求，選擇合適的Microchip產(chǎn)品，以實(shí)現(xiàn)高效、可靠的電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。你在實(shí)際設(shè)計(jì)中是否遇到過類似的電源轉(zhuǎn)換問題？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。