开关电容转换器简化了从1S到2S电池架构的迁移
在本设计解决方案中，我们讨论了在电池供电设备中提高电池容量的同时保持锂离子（li）单节电源架构的挑战。对于更高效的电池系统，我们提出了一种2：1降压转换器，可以保留现有的下游1s电源架构，而无需更高的电池充电电流。随后，我们展示了开关电容转换器（scc）是最佳的降压转换器解决方案，因为它具有高效率和低pcb尺寸。
介绍
耗电的便携式电子产品正在推动电池容量上升。例如，移动销售点 （pos） 设备采用集成热敏打印机构建，这会增加功耗，并且可能需要更高容量的电池。通过使用更多的串联或并联电池来获得更高的电池容量。例如，要使容量翻倍，最简单的方法是从一个电池（1s）移动到两个并行电池（2p）。该解决方案使输送功率加倍，并保持下游电子设备的额定电压，同时增加从电池汲取的电流。但是，为电池充电时会出现问题，因为标准usb-c电缆的额定电流为3a。为 2p 电池充电需要两倍的电流，这可能会超过 3a 限制。或者，充电速率可以减半，导致充电时间增加一倍。
usb type-c 标准支持 15w、5v、3a 或 25w、5v、5a，带有特殊的电子标记电缆。但特殊电缆既昂贵又不常见，因此应用支持标准 3a 电缆额定值非常重要。
满足此约束并增加输出功率的一种方法是使用两个串联（2s）而不是并联的li+电池。两个串联电池可以使用与单电池方案相同的电流充电，并提供双倍的容量。现在的问题是您的低压充电和调节电子设备变得不兼容，您必须购买更高电压的设备才能将 2s 电池连接到您的系统。这种选择可能会在高压设备的可用性方面产生问题，并在库存和不同额定电压的充电和控制设备的采购中带来问题。由于不同设备上的交易量分散，它还会带来购买力的损失。
或者，可以使用2：1降压转换器（图2）将2s电池电压减半，并将其应用于下游低压电子设备。这样，降压转换器可以为现有的1s电路供电，同时支持使用2s电池。
图2.2s低电流电池管理系统，带2：1降压转换器。
在此设计解决方案中，我们建议使用2：1开关电容转换器（scc）作为首选的降压转换器。该 ic 通过将 2s 电池电压转换为 1s 等效输出，简化了向更高电池电压的迁移，并允许设计人员保留现有的下游 1s 电源架构。
为什么选择scc？
对于降压转换器，首先想到的是基于电感的降压转换器。然而，在像我们这样输入电压与输出电压之比为整数 （2） 的情况下，scc 表现出更高的效率。与电感式降压转换器相比，scc 还具有更低的开关损耗。在降压转换器中，每个开关阻断全输入电压并支持全输出电流。在 2：1 scc 中，开关仅阻断一半的输入电压并承载一半的输出电流，从而降低了开关损耗。最后，scc受益于电容器比电感器更高的能量密度，从而减小了pcb面积1.上述所有因素使scc成为此应用的理想解决方案。
鳞状细胞癌操作
图 3 说明了两相 scc 架构。在第一个周期中，fet s1 和 s2 导通，c飞行1在提供负载时充电。同时，fet s7 和 s8 导通，c飞行2放电以供应负载。
图3.两相 scc 架构的操作。
图4显示了与上述第一个周期相对应的scc波形。
图4.两相 scc 架构的 scc 波形。
下一个周期与前一个周期完全对称：s1 和 s2 关闭，而 s3 和 s4 打开，c飞行1提供负载。同时，s7 和 s8 关闭，而 s5 和 s6 打开。飞行2在充电的同时也提供负载。两相操作可降低输出电容器上的纹波。
开关电容转换器
例如，max77932c为两相开关电容转换器，集成电源开关，提供8a输出电流，输入电压被二分频（见图5）。该 ic 适用于使用 2s li+ 电池，同时为在 1s 等效电压下工作的电路供电的应用。它还适用于从 1s 电池配置迁移到 2s 电池配置的应用，并允许设计人员保留现有的下游 1s 电源架构。
图5.scc 框图。
高效率
如图6所示，在0.5mhz开关频率下，scc效率超过98%。这种高效率有助于减少热损失，并有助于将应用温度保持在“皮肤温度”水平以下。
图6.2：1 scc 高效率。
凭借如此高的效率，由一个scc和一个低压（lv）降压转换器（图2中的lv dc-dc）组成的两级解决方案将战胜单级高压（hv）降压转换器。与高压降压转换器相比，低压降压转换器具有更低的开关损耗和更高的占空比。表 1 显示了两阶段解决方案的优势。为了说明2%效率优势的影响，请考虑12v、3a、36w充电器的情况，这是usb-c pd应用中常用的功率电平。scc解决方案的效率更高，散热量降低约0.7w。在这种情况下，结环境热阻为35°/w的ic将在没有任何热管理材料的情况下以25°c的温度运行。这种改进的热性能使得更容易将设备的“皮肤温度”保持在可接受的范围内。
拓扑学 鳞状细胞癌效率 降压效率 整体效率
scc + 低压降压 ~98% ~94% ~92%
高压降压 不适用 ~90% ~90%
该 ic 在低电流下还具有出色的效率。图7显示效率高于92%，电流范围为1ma至10ma。由于笔记本电脑在待机状态下花费的时间更长，此功能可显著延长电池寿命。
图7.轻负载时 2：1 scc 高效率。
占地面积小
该 ic 采用纤巧、无铅 0.4mm 间距、2.4mm × 2.8mm 42 引脚晶圆级封装 （wlp）。小芯片和小无源器件的组合使pcb占位面积仅为14.6 mm2.图 8 中的比较显示，与竞争对手的类似解决方案相比，占位面积优势为 27%。
图8.27% 的占地面积净规模优势。
结论
便携式设备（如带有热敏打印机的移动销售点系统）的功率需求不断增加，正在推动其电池容量的上升。虽然从 1s 配置迁移到 2s 配置可以实现更快的充电速度，但它似乎需要更高电压的下游设备。通过使用 2：1 降压转换器将 2s 电池连接到系统，可以保留 1s 下游电路。我们表明，对于这种配置，开关电容转换器（scc）产生最佳的整体系统效率，最适合保留现有的1s下游电源架构。
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usb type-c 标准支持 15w、5v、3a 或 25w、5v、5a，带有特殊的电子标记电缆。但特殊电缆既昂贵又不常见，因此应用支持标准 3a 电缆额定值非常重要。
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或者，可以使用2：1降压转换器（图2）将2s电池电压减半，并将其应用于下游低压电子设备。这样，降压转换器可以为现有的1s电路供电，同时支持使用2s电池。
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为什么选择scc？
对于降压转换器，首先想到的是基于电感的降压转换器。然而，在像我们这样输入电压与输出电压之比为整数 （2） 的情况下，scc 表现出更高的效率。与电感式降压转换器相比，scc 还具有更低的开关损耗。在降压转换器中，每个开关阻断全输入电压并支持全输出电流。在 2：1 scc 中，开关仅阻断一半的输入电压并承载一半的输出电流，从而降低了开关损耗。最后，scc受益于电容器比电感器更高的能量密度，从而减小了pcb面积1.上述所有因素使scc成为此应用的理想解决方案。
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图 3 说明了两相 scc 架构。在第一个周期中，fet s1 和 s2 导通，c飞行1在提供负载时充电。同时，fet s7 和 s8 导通，c飞行2放电以供应负载。
图3.两相 scc 架构的操作。
图4显示了与上述第一个周期相对应的scc波形。
图4.两相 scc 架构的 scc 波形。
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图5.scc 框图。
高效率
如图6所示，在0.5mhz开关频率下，scc效率超过98%。这种高效率有助于减少热损失，并有助于将应用温度保持在“皮肤温度”水平以下。
图6.2：1 scc 高效率。
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