耗電量大的便攜式電子設備正在推動電池容量的不斷上升。例如，移動銷售點 (POS) 設備內置有集成熱敏打印機，這會增加耗電量，并且可能需要更高容量的電池。
通過使用更多電池（串聯或并聯）可獲得更高的電池容量。例如，要使容量翻倍，簡單的方法是從單電池（1S1P，即 1S）移動到并聯的兩個電池（1S2P，即 2P）。該解決方案使輸出功率翻倍，并保持下游電子設備的額定電壓，同時增加從電池中吸取的電流。但是，問題出現在給電池充電時，因為標準 USB-C 電纜的額定電流為 3A。給 2P 電池充電需要兩倍的電流，這可能會超過 3A 的限制。或者，充電速率可能會減半，導致充電時間加倍。
USB Type-C 標準支持 15W、5V、3A 或 25W、5V、5A，并配有特殊的電子標記電纜。但專用電纜和更高功率的適配器既昂貴又不常見，因此應用程序支持標準 3A 電纜額定值非常重要。
滿足這一限制并增加輸出功率的一種方法是使用兩個串聯的 Li+ 電池 2S1P，即 2S，而不是并聯。兩個串聯電池可以使用與單電池場景相同的電流進行充電，并提供兩倍的容量。現在的問題是您的低壓充電和調節電子設備變得不兼容，您必須購買更高電壓的設備才能將 2S 電池連接到您的系統。這種選擇可能會導致高壓設備的可用性問題，并帶來庫存問題以及不同電壓額定值的充電和控制設備的采購問題。由于數量分散在不同設備上，它還會導致購買力下降。
或者，可以使用 2:1 降壓轉換器（圖 2）將 2S 電池電壓減半，并將其應用于下游低壓電子設備。這樣，降壓轉換器可以為現有的 1S 電路供電，同時允許使用 2S 電池。
圖 2：帶 2:1 降壓轉換器的 2S 低電流電池管理系統
在本設計解決方案中，我們建議使用 2:1 開關電容轉換器 (SCC) 作為降壓轉換器。該 IC 通過將 2S 電池電壓轉換為 1S 等效輸出，簡化了向更高電池電壓的遷移，并允許設計人員保留現有的下游 1S 電源架構。
為什么選擇SCC？
對于降壓轉換器，首先想到的是基于電感的降壓轉換器。然而，在我們這種輸入電壓與輸出電壓之比為整數 (2) 的情況下，SCC 表現出更高的效率。與電感降壓轉換器相比，SCC 還具有較低的開關損耗。在降壓轉換器中，每個開關都會阻斷整個輸入電壓并支持整個輸出電流。在 2:1 SCC 中，開關僅阻斷一半的輸入電壓，從而降低開關損耗。，SCC 受益于電容器比電感器具有更高的能量密度，從而減少了 PCB 面積。上述所有因素使 SCC 成為此應用中的理想解決方案。
SCC操作
圖 3 示出了兩相 SCC 架構。在個周期中，FET S1 和 S2 導通，CFLY1 充電，同時為負載供電。同時，FET S7 和 S8 導通，CFLY2 放電，為負載供電。
2 階段 SCC 架構的運行
圖 3：2 相 SCC 架構的運行
圖 4：2 相 SCC 架構的 SCC 波形
圖 4 顯示了與上面所示的個循環相對應的 SCC 波形。
下一個周期與前一個周期完全對稱：S1 和 S2 關閉，S3 和 S4 打開，CFLY1 為負載供電。同時，S7 和 S8 關閉，S5 和 S6 打開。CFLY2 充電，同時也為負載供電。兩相操作減少了輸出電容上的紋波。
開關電容轉換器
例如，MAX77932 是一款集成電源開關的兩相開關電容轉換器，可提供 8A 輸出電流并將輸入電壓除以二（見圖 5）。該 IC 適用于使用 2S Li+ 電池的應用，同時為以 1S 等效電壓工作的電路供電。它還適用于從 1S 遷移到 2S 電池配置的應用，并允許設計人員保留現有的下游 1S 電源架構。
高效率
圖 6 所示的 SCC 效率在 0.5MHz 開關頻率下超過 98%。如此高的效率有助于減少熱損失，并有助于將應用溫度保持在不適的“皮膚溫度”水平以下。
圖 5：SCC 框圖
憑借如此高的效率，由一個 SCC 和一個低壓 (LV) 降壓轉換器（圖 2 中的 LV DC-DC）組成的兩級解決方案將勝過單級高壓 (HV) 降壓轉換器。與 HV 降壓轉換器相比，LV 降壓轉換器的開關損耗更低，占空比更高。表 1 顯示了兩級解決方案的優勢。為了說明 2% 效率優勢的效果，我們以 12V、3A、36W 充電器為例，這是 USB-C PD 應用中使用的常見功率水平。圖 6：2:1 SCC 高效率
SCC 解決方案效率更高，散熱量降低了約 0.7W。在這種情況下，結到環境熱阻為 35°C/W 的 IC 無需任何熱管理材料即可在低 25°C 的溫度下運行。這種改進的熱性能使將設備“表面溫度”保持在可接受范圍內變得更加容易。
圖 7：輕載時 2:1 SCC 高效率
該 IC 在低電流下也具有出色的效率。圖 7 顯示，電流在 1mA 至 10mA 范圍內時，效率超過 92%。由于便攜式設備長時間處于待機狀態，此功能可顯著延長電池壽命。
該 IC 采用微型無鉛 0.4mm 間距、2.4mm x 2.8mm 42 引腳晶圓級封裝 (WLP)。小型芯片和小型無源元件的組合使 PCB 占用空間凈面積僅為 14.6 mm?。圖 8 中的比較顯示，與競爭對手的類似解決方案相比，占用空間優勢為 27%。
圖 8：27% 的占位凈尺寸優勢
頻率抖動
DC-DC 轉換器的開關噪聲會產生電磁干擾 (EMI)，其主要頻率峰值會干擾無線電信號或附近其他電子設備的運行。SCC 提供可編程頻率抖動模式來緩解 EMI。抖動可降低主要峰值并將噪聲分散到較寬的頻帶上，使設備更容易符合頻率發射標準。
結論
便攜式設備（例如帶有熱敏打印機的移動銷售點系統）的功率需求不斷增加，這推高了電池容量。雖然從 1S 配置轉換為 2S 配置可以實現更快的充電，但它似乎需要更高電壓的下游設備。通過使用 2:1 降壓轉換器將 2S 電池連接到系統，可以保留 1S 下游電路。我們表明，對于這種配置，開關電容轉換器 (SCC) 可實現的整體系統效率，通過頻率抖動降低 EMI，并且適合保留現有的 1S 下游電源架構。 |
