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自1991年索尼公司推出第一款商用鋰離子電池，電子設(shè)備和移動科技行業(yè)發(fā)生了革命性的變化。鋰電池不僅使移動電話、筆記本電腦等電子設(shè)備變得更加輕薄便攜，同時也推動了電動交通的發(fā)展。

以智能手機為例，現(xiàn)代智能手機的性能已經(jīng)接近甚至超越了部分筆記本電腦，但是體積卻不足筆記本電腦的十分之一。高性能帶給我們流暢的用戶體驗，但背后是日益增長的電量需求。鋰電池技術(shù)發(fā)展到今天也達到了瓶頸，如何進一步提高能量密度，在有限的體積中儲存更多的能量是未來需要突破的課題。

我們知道電池在能量傳輸?shù)倪^程中是存在損耗的，轉(zhuǎn)化效率越高，相同容量的電池可使用時間越長?；谶@個想法，我們嘗試從電池負載端著手，看看如何提高電池利用率。

在手機內(nèi)部眾多電源管理器件中，Buck轉(zhuǎn)換器因其高轉(zhuǎn)換效率、小體積而被廣泛應(yīng)用。

下面我們來看一下Buck電路的基本構(gòu)成。

圖 1 Buck基本電路

如圖所示，一個基本的Buck電路由M1、M2兩個MOS管，電感L和電容C兩個儲能元件構(gòu)成。Buck電路本質(zhì)上是利用電感的伏秒平衡特性，通過控制兩個MOS管以一定的周期交替開關(guān)，來實現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換和能量的傳輸。根據(jù)伏秒定律可以得到如下公式：

VON：M1導(dǎo)通、M2關(guān)斷期間，電感L兩端壓降
TON：M1導(dǎo)通時間
VOFF：M1關(guān)斷、M2導(dǎo)通期間，電感L兩端壓降
TOFF：M2導(dǎo)通時間
對以上公式進行轉(zhuǎn)化后可以得到Buck輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系：

其中D稱為占空比，根據(jù)定義有：

由公式（2）可知占空比由輸入和輸出電壓決定，由公式（3）可知，驅(qū)動電路可以通過控制M1、M2的導(dǎo)通、關(guān)斷時間來調(diào)節(jié)占空比。下圖所示是相同輸出電壓，不同輸入電壓時對應(yīng)的Buck開關(guān)波形。

圖 2 不同轉(zhuǎn)化比占空比對比

可以看到，當輸出電壓固定，隨著輸入電壓下降，驅(qū)動器控制M1導(dǎo)通時間增加，M2導(dǎo)通時間減小，從而將占空比逐步增大，以此來維持輸出電壓不變。假設(shè)占空比固定不變，當輸入電壓降低，輸出電壓隨之降低。

我們知道鋰電池電壓會隨著電量的釋放逐漸降低。如果電池后級Buck的占空比受到限制，那意味著隨著電量降低，Buck的輸出電壓將緩慢下降，后級負載為了維持正常工作需要從電池獲得更大的負載電流，這樣一來，Buck的轉(zhuǎn)換效率嚴重下降，電池電量很快就會消耗殆盡。

那Buck的占空比為何會受到限制，又有什么方法可以突破限制呢？帶著這個疑問，我們來分析下面這個Buck電路。

圖 3 雙NMOS Buck結(jié)構(gòu)

圖示為某Buck電路內(nèi)部功能框圖中的功率級部分。開關(guān)管M1、M2均為NMOS，當M1導(dǎo)通時，M1的源極也就是SW的電壓等于電源電壓VIN，這意味著M1的柵極電壓必須要高于VIN，M1才能導(dǎo)通，而對于Buck來說，系統(tǒng)最高電壓就是VIN。為了得到高于VIN的柵極電壓，需要外接一個電容CB在BOOT和SW之間，這個電容稱為自舉電容。

現(xiàn)在我們來分析下BOOT引腳上的電壓。TOFF期間M1關(guān)斷，M2導(dǎo)通，CB充電至VREG；TON期間M1導(dǎo)通，M2關(guān)斷，CB兩端電壓保持不變，但BOOT電壓等于VIN+VREG，至此M1柵極電壓高于VIN，M1得以正常導(dǎo)通。

由于BOOT電容的存在，BOOT電容需要在TOFF期間補充能量，因此TOFF至少需要維持一個最小的時間保證CB處于滿電狀態(tài)，這意味著雙NMOS結(jié)構(gòu)無法做到100%占空比。

是否有辦法做到100%占空比？答案是肯定的。我們來看下艾為電子推出的AW37430 5V3A Buck轉(zhuǎn)換器給出的解決方案。

圖 4 AW37430 功能框圖

為了讓電路能夠達到100%占空比，AW37430采用了P+N的方案，即M1使用PMOS，M2采用NMOS，如紅色框內(nèi)所示。M1源極電壓為VIN，對于PMOS來說，柵極只需要提供一個低于VIN的電壓即可導(dǎo)通，這在Buck電路中很好實現(xiàn)。由于不存在BOOT電容，無需保留最小TON時間，因此，當輸入電壓下降，占空比不會受到限制，輸出電壓也可以穩(wěn)定在設(shè)定值。

由于采用了P+N支持100%占空比的設(shè)計，AW37430可以顯著提高低輸入電壓下的轉(zhuǎn)換效率。采用AW37430的系統(tǒng)設(shè)計將在續(xù)航方面優(yōu)勢明顯。

高負載下的轉(zhuǎn)換效率固然重要，待機功耗也是提升續(xù)航的一個重要方面。試想人在外面手機還剩5%電量而身邊找不到充電器時你會怎么做？打開手機省電模式或者關(guān)機，堅持到家后立馬充電，這期間很容易錯過重要電話或信息。

艾為電子推出的具有Bypass功能的AW37431很好的解決了這個問題。它可以在電池電壓下降到設(shè)定閾值時強制進入100%占空比模式，同時僅保留內(nèi)部基準和比較器工作，使得Bypass時待機功耗小于10μA。低電量進入100%占空比提高轉(zhuǎn)換效率，Bypass關(guān)閉不需要的模塊降低待機功耗，雙管齊下讓低電量不再成為困擾。

AW37431上電時序與Bypass觸發(fā)機制如下圖所示。

圖 5 AW37431 上電時序與Bypass觸發(fā)機制

T1：輸入電壓上升超過UVLO+閾值后，內(nèi)部軟啟動電路工作，輸出電壓開始上升；
T2：軟啟動完成，并且輸入電壓仍低于VIN_bypass+，進入100% duty模式，輸出電壓隨輸入電壓上升；
T3：當輸出電壓上升至VIN_bypass+，系統(tǒng)退出100% duty模式，輸出電壓下降并維持在設(shè)定值；
T4：當輸入電壓下降至VIN_bypass-，系統(tǒng)進入100% duty模式，輸出電壓跟隨輸入電壓下降；
T5：當輸入電壓下降至UVLO-閾值后，內(nèi)部泄放管打開，輸出電壓快速下降至0。
了解了AW37431的Bypass功能，我們來看下實際應(yīng)用中AW37431對續(xù)航的提升有多少。
我們以常見的4000mAh電池容量的手機為例，分別對比下搭載了1顆普通雙NMOS結(jié)構(gòu)的Buck和1顆AW37431的放電曲線。假設(shè)手機還剩5%電量，對應(yīng)容量為200mAh。按照搭載普通雙NMOS Buck（靜態(tài)功耗400μA）的手機待機功耗按照4mA計算，那么理論待機時長為50h。如果替換為AW37431(靜態(tài)功耗10μA)，手機待機功耗降低至3.61mA，那么理論待機時長將提升至55h，相當于增加了5h續(xù)航時間。如下圖所示。