下面我們來(lái)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(gè)基本的Buck電路由M1、M2兩個(gè)MOS管，電感L和電容C兩個(gè)儲(chǔ)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(guò)控制兩個(gè)MOS管以一定的周期交替開(kāi)關(guān)，來(lái)實(shí)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(shí)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(shí)間
對(duì)以上公式進(jìn)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(dòng)電路可以通過(guò)控制M1、M2的導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間來(lái)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(shí)對(duì)應(yīng)的Buck開(kāi)關(guān)波形。
圖 2 不同轉(zhuǎn)化比占空比對(duì)比
可以看到，當(dāng)輸出電壓固定，隨著輸入電壓下降，驅(qū)動(dòng)器控制M1導(dǎo)通時(shí)間增加，M2導(dǎo)通時(shí)間減小，從而將占空比逐步增大，以此來(lái)維持輸出電壓不變。假設(shè)占空比固定不變，當(dāng)輸入電壓降低，輸出電壓隨之降低。
我們知道鋰電池電壓會(huì)隨著電量的釋放逐漸降低。如果電池后級(jí)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(jí)負(fù)載為了維持正常工作需要從電池獲得更大的負(fù)載電流，這樣一來(lái)，Buck的轉(zhuǎn)換效率嚴(yán)重下降，電池電量很快就會(huì)消耗殆盡。
那Buck的占空比為何會(huì)受到限制，又有什么方法可以突破限制呢？帶著這個(gè)疑問(wèn)，我們來(lái)分析下面這個(gè)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(jí)部分。開(kāi)關(guān)管M1、M2均為NMOS，當(dāng)M1導(dǎo)通時(shí)，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(duì)于Buck來(lái)說(shuō)，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(gè)電容CB在BOOT和SW之間，這個(gè)電容稱為自舉電容。
現(xiàn)在我們來(lái)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(bǔ)充能量，因此TOFF至少需要維持一個(gè)最小的時(shí)間保證CB處于滿電狀態(tài)，這意味著雙NMOS結(jié)構(gòu)無(wú)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(lái)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
AW37431上電時(shí)序與Bypass觸發(fā)機(jī)制如下圖所示。
圖 5 AW37431 上電時(shí)序與Bypass觸發(fā)機(jī)制
T1：輸入電壓上升超過(guò)UVLO+閾值后，內(nèi)部軟啟動(dòng)電路工作，輸出電壓開(kāi)始上升；
T2：軟啟動(dòng)完成，并且輸入電壓仍低于VIN_bypass+，進(jìn)入100% duty模式，輸出電壓隨輸入電壓上升；
T3：當(dāng)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(dāng)輸入電壓下降至VIN_bypass-，系統(tǒng)進(jìn)入100% duty模式，輸出電壓跟隨輸入電壓下降；
T5：當(dāng)輸入電壓下降至UVLO-閾值后，內(nèi)部泄放管打開(kāi)，輸出電壓快速下降至0。
了解了AW37431的Bypass功能，我們來(lái)看下實(shí)際應(yīng)用中AW37431對(duì)續(xù)航的提升有多少。
我們以常見(jiàn)的4000mAh電池容量的手機(jī)為例，分別對(duì)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(jī)還剩5%電量，對(duì)應(yīng)容量為200mAh。按照搭載普通雙NMOS Buck（靜態(tài)功耗400μA）的手機(jī)待機(jī)功耗按照4mA計(jì)算，那么理論待機(jī)時(shí)長(zhǎng)為50h。如果替換為AW37431(靜態(tài)功耗10μA)，手機(jī)待機(jī)功耗降低至3.61mA，那么理論待機(jī)時(shí)長(zhǎng)將提升至55h，相當(dāng)于增加了5h續(xù)航時(shí)間。如下圖所示。
圖 6 低電量待機(jī)時(shí)間對(duì)比
由此可見(jiàn)，搭載了Bypass功能后，低電量下手機(jī)續(xù)航得到明顯提升。
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