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下面我們來看一下Buck電路的基本構成。
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兩個儲能元件構成。Buck電路本質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，來實現(xiàn)電壓的轉換和能量的傳輸。根據伏秒定律可以得到如下公式：
VON：M1導通、M2關斷期間，電感L兩端壓降
TON：M1導通時間
VOFF：M1關斷、M2導通期間，電感L兩端壓降
TOFF：M2導通時間
對以上公式進行轉化后可以得到Buck輸出電壓和輸入電壓的關系：
其中D稱為占空比，根據定義有：
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，驅動電路可以通過控制M1、M2的導通、關斷時間來調節(jié)占空比。下圖所示是相同輸出電壓，不同輸入電壓時對應的Buck開關波形。
圖 2 不同轉化比占空比對比
可以看到，當輸出電壓固定，隨著輸入電壓下降，驅動器控制M1導通時間增加，M2導通時間減小，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結構
圖示為某Buck電路內部功能框圖中的功率級部分。開關管M1、M2均為NMOS，當M1導通時，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關斷，M2導通，CB充電至VREG；TON期間M1導通，M2關斷，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結構無法做到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轉換器給出的解決方案。
圖 4 AW37430 功能框圖
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結構的Buck和1顆AW37431的放電曲線。假設手機還剩5%電量，對應容量為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。
圖 6 低電量待機時間對比
由此可見，搭載了Bypass功能后，低電量下手機續(xù)航得到明顯提升。
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