开关电容转换器（SCC）降压装换气解决方案
摘要： 在这个设计解决方案中，我们讨论了在提高电池容量的同时保留锂离子（Li）单节电池电源架构的挑战，以遵循电池供电设备的功率上升趋势。对于更高效的电池系统，我们提出了一个2：1降压转换器，它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）是最好的降压转换器解决方案，这要归功于其高效率和低PCB占位面积。
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）设备内置有集成热敏打印机，这会增加功耗并可能需要更高容量的电池。通过使用更多的电池串联或并联可以获得更高的电池容量。例如，要将容量翻倍，最简单的做法是从一个电池（1S）移动到两个并联电池（2P）。该解决方案使输出功率翻倍，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，在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的限制。或者，充电速率可以减半，从而使充电时间增加一倍。
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，因此支持标准3A电缆额定值对于应用来说非常重要。
满足这一限制并增加输出功率的一种方法是使用两个串联（2S）而不是并联的锂电池。可以使用与单节电池相同的电流为两个串联电池充电，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，并在库存以及不同额定电压的充电和控制设备的采购方面造成问题。由于数量分布在不同的设备上，它还表现出购买力的损失。
或者，可以使用2：1降压转换器（图1）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1 带有2：1降压转换器的2S低电流电池管理系统
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）作为降压转换器的选择。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，从而降低开关损耗。最后，SCC受益于电容器的能量密度明显高于电感器，从而使PCB面积更小1。上述所有因素使SCC成为该应用中的理想解决方案。
SCC运营图2说明了两阶段SCC架构。在第一个周期中，FET S1和S2导通，C FLY1在为负载供电的同时充电。同时，FET S7和S8导通，C FLY2放电以向负载供电。
图2 两阶段SCC架构的操作
图3显示了对应于上述第一个周期的SCC波形。
图3 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开启，C FLY1为负载供电。同时，S7和S8关闭，而S5和S6开启。C FLY2在为负载供电的同时充电。两相操作降低了输出电容上的纹波。
开关电容转换器例如，MAX77932C是一款带有集成电源开关的两相开关电容转换器，可提供8A输出电流并将输入电压进行2分压（参见图4）。该IC适用于使用2S Li+电池同时为以1S等效电压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4 SCC框图
高效率SCC效率（如图 5所示）在0.5MHz开关频率下超过98%。如此高的效率有助于减少热量损失，并有助于将应用温度保持在“皮肤温度”不适水平以下。
图5 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胜过单级高压（HV）降压转换器。与HV降压转换器相比，LV降压转换器以更低的开关损耗和更高的占空比运行。表格1代表两阶段解决方案的优势。为了说明2%效率优势的影响，以12V、3A、36W充电器为例，这是USB-C PD应用中常用的功率水平。SCC解决方案的更高效率可降低约0.7W的散热量。在这种情况下，结至环境热阻为35°/W的IC将在25℃的低温下运行，无需任何热管理材料。这种改进的热性能使设备的“皮肤温度”更容易保持在可接受的范围内。
拓扑SCC效率降压效率整体效率
SCC+LV降压为～98%～94%～92%，高压降压不适用～90%～90%，该IC在低电流下也具有出色的效率。图 6显示了92%以上的效率，电流在1mA至10mA范围内。随着便携式设备的待机时间延长，此功能显着延长了电池寿命。
图6 轻负载时2:1 SCC的高效率
占地面积小该IC采用微型无铅0.4mm间距、2.4mmx2.8mm 42引脚晶圆级封装（WLP）。小芯片和小无源器件的组合产生的PCB占位面积净面积仅为14.6mm2。图7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7 27%的足迹净尺寸优势
结论
便携式设备（如带有热敏打印机的移动销售点系统）不断增加的电力需求正在推高其电池容量。虽然从1S配置转变为2S配置可以加快充电速度，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）可产生最佳的整体系统效率，并且最适合保留现有的1S下游电源架构。
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