配備關鍵通信功能的系統可能會配備備用電池，以防發生任何停電或故障，以確保連續運行。其中許多系統正在趕上USB C趨勢來接收和提供電源。寬系統輸入電壓可在 12V 至 2.7V 之間變化，具體取決于備用電池的化學成分和配置。考慮到如此寬的輸入電壓范圍，電源架構可能相當復雜。在此設計解決方案中，我們展示了小型單芯片降壓-升壓轉換器如何通過提供更高的功率、優化解決方案尺寸和系統效率來簡化系統電源設計。

介紹

配備關鍵通信功能的系統利用備用電池在任何斷電或故障期間保持通信。這種方法廣泛應用于安防和智能家居監控面板（如圖1所示）、專業平板電腦、移動支付終端等。一些由交流適配器供電的系統正在轉向 USB C 電源，因為新設計轉向通用且可互換的 USB C 適配器以實現靈活性。利用USB C作為輸入電源，12V是為整個系統供電的最常見實現方式。備用電池可能變化很大，但單節或雙節鋰離子或三到四節堿性/鎳氫電池使用最廣泛。這意味著當系統從備用電池獲取電源時，輸入電壓可低至2.7V。總體而言，上述系統的輸入電壓范圍很寬，為2.7V至12V。

這些系統中內置的關鍵通信模塊也可能有很大差異，包括但不限于藍牙、Wi-Fi 和長期演進 （LTE）。雖然通信模塊不同，但它們通常需要3.3V至3.6V的功率，電流范圍從幾十毫安到幾百毫安不等。某些系統帶有需要 5V 電源的揚聲器。可能還有一個需要 5V 的下游 USB 端口，并且根據法規，需要高達 2.4A 的電源。如果系統實現 USB C 端口并采用 USB C 供電 （PD） 標準，則 USB C 端口可能需要更高的電壓（例如 9V）和高達 3A 的電流。

在 2.7V 至 12V 如此寬的輸入電壓范圍內，使用多個降壓和升壓轉換器產生一致的 5V 和 3.3V 輸出似乎微不足道。但是，當考慮需要優化系統效率以延長電池壽命時，當外形尺寸成為限制時，電源設計的復雜性會增加，尤其是在涉及USB C PD時。

USB Type-C PD 規范允許將充電電壓提高到 20V，電流增加到 5A，最大功率為 100W。對于筆記本電腦以外的便攜式設備，18W （9V/2A） 提供快速充電，讓用戶隨時隨地使用。USB C PD規范為電源設計增加了另一層復雜性，因為需要考慮額外的高達2A的9V電源軌。

本設計解決方案討論了降壓-升壓轉換器如何簡化前面描述的此類系統的電源設計，以及它如何支持在USB C端口增加9V、2A和18W功能，并介紹了一種新穎的高度集成、高效率電源管理實現。

典型電源系統

圖 2 顯示了系統完全配備 USB 端口、揚聲器、LTE 和 Wi-Fi 的典型電源設計。

由于輸入電壓范圍較寬，因此下游降壓轉換器需要中間總線電壓。這可以通過旁路升壓轉換器來實現。當存在適配器電壓時，升壓轉換器進入旁路模式，中間總線是適配器電壓，下游降壓轉換器產生5V和3.6V。當適配器電源缺失且備用電池正在使用時，升壓轉換器將電池電壓升壓至計算電壓，以便降壓轉換器可以在其占空比限制內工作。

雖然這種架構支持所有電源要求，但它遠非高效，更不用說高成本的BOM和大PCB尺寸了。兩級電源轉換，先升壓后降壓，系統效率低。在這種情況下，假設升壓轉換器的效率為90%，降壓轉換器的效率為93%，則系統總效率為83.7%。低系統效率在使用時會耗盡備用電池，為了在停電期間保持運行，需要更大的電池容量，這反過來又增加了系統尺寸和成本。除了系統效率低之外，還需要四組具有大量外部元件的DC-DC轉換器，因此需要額外的PCB空間和成本。隨著系統功率需求的增加，升壓轉換器產生的功率也會增加，因此需要更大的電感。

圖2.具有 USB 端口、揚聲器、LTE 和 Wi-Fi 的典型電源解決方案。

分立式高功率供電解決方案

隨著USB C和USB PD的趨勢，一些設計可能會實現下游USB C端口，并提供USB PD功能，以便為圖3所示的外設快速方便地充電。

圖3.典型的電源解決方案，帶有支持 USB PD、揚聲器、LTE 和 Wi-Fi 的 USB C 端口。

在設計中（圖3），為了適應USB PD動態電壓變化，需要一個帶DVS的降壓-升壓轉換器。這會將USB端口發電與先前獨立生成的中間總線分開。由于降壓-升壓的輸出不是固定的，因此將分立式或低積分降壓-升壓解決方案與專用的降壓-升壓控制器一起使用。這種方法提供并滿足USB C PD的要求，但是由于集成度低，它將占用大量的PCB空間。圖4顯示了需要63mm有效PCB面積的低集成度降壓-升壓設置2，不考慮其他外部組件，這使得解決方案尺寸更大。

圖4.低集成度降壓-升壓電源解決方案PCB尺寸（63mm2活動區域）

集成式大功率供電解決方案

圖5所示為高度集成的解決方案，其中控制器、驅動器和MOSFET集成在單個IC MAX77831上。MAX77831將典型的兩級（升壓后降壓）設計轉換為單級轉換，提供高效率，支持5V揚聲器、3.6V LTE和Wi-Fi。對于5V輸出，MAX77831可提供92.8%的效率，比83.7%的兩級效率高9%。通過我2C通信時，MAX77831可提供高達18W的動態降壓-升壓輸出，以支持下游USB C端口的USB PD功能。如前所述，18W 足以為包括智能手機在內的絕大多數外圍設備快速充電。

圖5.高度集成的電源解決方案，具有支持 18W USB PD、揚聲器、LTE 和 Wi-Fi 的 USB 端口。

圖 6 顯示了新的 PCB 尺寸。在這種情況下，有效面積減少到21.9mm2，節省61%！該解決方案還將外部元件數量減少了50%，從而進一步減小了解決方案的尺寸和成本。

圖6.高度集成的電源解決方案PCB尺寸（21.9mm2活動區域）。

集成降壓-升壓轉換器

圖7所示的MAX77831單芯片降壓-升壓轉換器為高效率、高性能穩壓器，適用于需要寬輸入電壓范圍（2.5V至16V）的系統。它允許系統通過I動態改變輸出電壓和負載電流容量2C 接口。它支持標準的 5V USB VBUS 要求以及 9V 一直到 15V，總連續功率為 18W。

圖7.高度集成的電源解決方案應用示意圖。

板載低RDSON N溝道MOSFET晶體管的集成確保了卓越的效率。在圖8中，與競爭對手的解決方案相比，該IC在大多數工作范圍內顯示出效率優勢，在滿載時具有整整3分的優勢。此外，該 IC 能夠以更高的輸出功率和更高的效率超越競爭對手，真正優化任何給定設計的功率密度。

圖8.功率和效率競爭優勢。

降壓-升壓操作平穩，從一種模式到另一種模式幾乎無縫過渡。圖9顯示了小的升壓-降壓轉換過沖（+110mV）和降壓-升壓下沖（-100mV）。

圖9.平穩的降壓-升壓轉換。

結論

連接設備繼續激增到各個細分市場，許多設備由帶有備用電池的適配器供電，以在停電期間保持系統運行。該設計方案回顧了典型的兩級電源轉換、PCB空間大以及由于集成度低而導致成本高的缺點。隨后，它表明MAX77831單芯片降壓-升壓轉換器是應對12V至2.7V（備用電池）如此寬輸入電壓范圍的最佳電源方案，優化了系統效率，從而延長電池壽命，減小PCB尺寸，降低BOM成本。

審核編輯：郭婷