摘要 - 在超低功率传输情况下，超低频的DC - DC转换是维持高效率的一种潜在解决方案。开关电容转换器（SCCs）因电荷共享损失在低频运行时有固有局限。为克服此问题，本文探索了一种基于开关电池的新型DC - DC转换系列。所谓的开关电池转换器（SBC）由SCC衍生而来，是用电池替代了飞跨电容。电池的特殊性质带来了约束，但也提供了自由度，重新调整了开关频率、电荷共享损失、功率密度和功率效率之间的权衡。文中使用一个纽扣电池（69mm³）以100Hz的开关频率实现了2:1的电压转换比，展示了97%的功率效率，还提出了3:1的拓扑结构并进行了各种电池实验以推广这一概念。
1.简介
研究背景
低功率电子应用（如唤醒和始终开启电路）需要高效率和高功率密度的DC - DC转换器。随着输入功率预算降低，维持高功率效率具有挑战性。开关电容转换器（SCCs）是低功率应用中实现高功率密度的常用解决方案，但存在固有局限。其输出阻抗与工作频率和飞跨电容值成反比，功率效率受开关损失影响，且受电荷共享损失限制，高密度集成电容技术无法显著改善其功率密度或效率。 电池相比传统器件具有更高的能量存储能力，但功率能力较低（主要因等效串联电阻较高），不过在低开关频率下此局限不明显。基于SCC结构提出开关电池转换器（SBC），用电池替代传统无源器件。 ![]()
图1.以电池为无源器件的开关DC-DC变换器
SBC的优势及与其他系统的区别
SBC有效解决了SCC在低开关频率下的局限，通过显著减少电荷共享损失成分，在损失机制和频率之间引入新的权衡。SCC的功率损失可分为三类（开关损失、传导损失、恒定泄漏损失），SBC以增加传导损失为代价几乎消除了开关损失，形成有竞争力的超低功率、超低开关频率DC - DC转换器。 此研究与电池电源管理和电池管理系统（BMS）不同。在本研究系统中，电池作为中间存储元件，在DC - DC操作的一个开关周期后不改变其荷电状态，仅利用其小部分能量能力作为中间能量储存器，这种电池的特定应用在文献中尚未涉及。 ![]()
表一.MM3体积的现成设备样本
本文研究内容：之前论文已描述了SBC的首次演示，本文将在第三节详细比较2:1配置下的SBC和SCC，在第四节分析电池行为（自偏置、荷电状态、寿命），在第五节介绍多电池SBC以推广该方法。
2.电池作为飞跨无源器件特性
静电和电磁能转化为电能比化学能转化快，使得电池具有较高的电气时间常数和较慢的动态响应，这限制了其在DC - DC转换器中的开关频率。在开关电容转换器（SCC）中，这对减少损失有利，但不利于输出电压纹波。不过，高时间常数形成的电能惯性有助于降低电池端和输出电压的纹波。 电池与传统无源器件的比较：与相似尺寸的传统无源器件相比，电池在能量密度方面表现出色。由于电容和电感的功率密度与工作频率存在一阶相关性，即使电池的等效串联电阻（ESR）是电容的三倍，其在功率密度方面也优于传统飞跨无源组件。因此，本文重点关注低输出电流（<10mA）的DC - DC转换器，在这种情况下，传导损失不是维持适当功率效率的主要关注点。 低功率DC - DC转换器对开关频率的要求：极低功率的DC - DC转换器需要超低开关频率来维持低开关损失，这会导致需要更大的组件来实现低输出纹波，有时所需组件尺寸与具有更高功率传输能力的转换器相当。本文旨在探讨开关电池转换器（SBC）在哪些潜在功率范围内可作为开关电容转换器（SCC）的可靠替代方案。 ![]()
图2.在低工作频率下的电池功率密度优势
不同类型电池的发展情况：固态电池的小型化不断改进，在mm³尺度上能量密度也具有较高价值。液态电解质电池需要更大的封装，但能提供更高的输出功率。固态薄膜电池（TFBs）厚度可低至100μm，能直接集成到硅基板上，具有更高的能量和功率密度，为小型封装电池管理系统提供了可能。3.开关式电池转换器
开关电池转换器（SBC）的基本结构和工作方式
SBC至少包含一个电池作为核心飞跨无源组件，这给定义DC - DC转换器状态序列带来新挑战，包括要使电池电压在正常工作范围内以及维持转换器周期内的电荷平衡。在稳态操作时，电池至少有一个充电和一个放电阶段，且充放电深度极小（<<1%），这种微周期操作可大幅延长电池寿命且不影响平均电压。 SBC使用特定方式排列的不同拓扑相位形成循环，不同循环可实现不同电压转换比。研究限于等时长的相位周期，且工作周期需满足电池平均电压固定、能量收支平衡以及输入输出电压在各阶段相等的条件。 功率效率分析
SBC与SCC不同，无固有电荷共享损失，主要由传导损失主导。通过分析SCC的方法对SBC进行动态损失分析，SCC存在慢开关极限（SSL）和快开关极限（FSL）两种工作状态，而SBC因使用电池作为飞跨无源器件，等效电容视为无穷大，电路总是工作在FSL状态，输出阻抗与频率无关。 根据SCC的相关公式推导出SBC的FSL等效电阻公式，由于电池有内部阻抗，进一步得到SBC的等效输出电阻公式，该公式可仅根据结构参数估计SBC的转换损失。4.性能比较：SCC与SBC
比较目的和实验设置：比较SCC和SBC在超低开关频率（Hz范围）下的性能，旨在评估在低功率传输场景中二者的效率。SBC使用电池作为飞跨无源器件，虽电池等效串联电阻（ESR）远高于电容，但在传导损失非主导因素的情况下，低开关频率可使SBC有优势。实验使用相同功率级电路、输出功率水平和工作频率，比较2:1拓扑结构下的SBC和SBC，电路使用商业集成电路（LM2663），测试电池为NiMH电池。 ![]()
图3.使用LM2663和V6HR的2:1 SBC的(a) 2:1转换器功率级电气原理图和(b)实现
稳态操作：SBC在无输出电容的稳态2:1配置下，输出电压在不同阶段表现相似，电池电压存在欧姆降和氧化还原降两种纹波。 ![]()
图4.在100 Hz： (a)输出和电池电压和(b)电池电压纹波下的2:1 SBC的实验稳态运行
相对输出电压纹波：SBC在无输出电容时，即使100Hz低频下输出20mA负载，电压纹波也小于5%；SCC无输出电容时，相同条件下纹波超30%，需加5.0F大容量电容才能降低纹波。SBC的低纹波源于电池的高电惯性，其电压与转移电荷量无关。 ![]()
图5.2:1 SBC与2:1 SCC之间的相对输出电压纹波的比较
功率效率：SBC的效率在不同频率下高度独立于开关频率，低输出电流时有小差异。在低频率下，SBC因无SCC的慢开关极限（SSL）损失（如电荷共享损失），效率高于SCC，且电池内阻虽高于SCC电容ESR，但在低频下不如SSL损失重要。电池配置在一定输出电流范围（高达20mA）可保持较高效率（>90%），SBC在100Hz时最大输出功率约27mW。 ![]()
图6.2:1 SBC的效率：频率的(a)独立性和相对于100 Hz的SCC的(b)优势
电池电压自调整：SBC运行时电池会进行电压自调整以实现电荷平衡，类似SCC中的电容。该过程对电池寿命无风险，但会影响上电动态过程中的效率。电池的大电惯性使达到稳态电压的稳定时间较长，且输出电流会影响输出电压瞬态。
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图7.2:1 SBC通电动态过程中频率和电流对电池电压变化的影响
电荷平衡和寿命：电池电荷平衡对SBC至关重要，虽完全平衡较难，但小不平衡仍可实现稳态操作，这得益于电池的自平衡行为。SBC中的电池因工作在极低充放电深度（约1ppm），循环次数远高于常规使用。经长期实验，电池性能无明显下降，其电容特性和低电流水平有助于延长寿命，但电池降解复杂，需进一步研究。 电池化学对SBC的影响：2:1配置的SBC输出电压需与电池电压在同一范围，限制了应用。使用不同电池化学体系（如锂离子电池、固态电池）可探索其他输出电压值。实验表明不同电池化学体系在SBC中仍可表现出可接受的性能，但低容量和高内阻会影响输出电流范围，高电压工作范围在一定程度上有利于探索更高输出功率，且测试电池的自调整行为可拓宽2:1 SBC的工作电压范围。5.开关多电池转换器
多电池开关转换器的研究背景和目的：不同电池化学体系虽拓宽了工作电压范围，但仍有局限，输出电压与电池电压相关性强。因此研究使用多个电池的SBC配置，以扩展可用电压比范围，电池无需相同或电压相等。 系统拓扑探索
确定多电池SBC的工作周期需满足一定条件，包括公式：![]()
以及每个相位至少有一个电池连接到负载等。通过半穷举搜索，以两个电池组（V_{bat,1})和(V_{bat,2}）为例确定合适的周期，如3:1 SBC配置已实验验证，其两个电池在同一电压（2·V_{out}）下工作，通过三个相位实现电荷平衡并降低输出电压与电池电压的强相关性。 ![]()
表三.3:1 SBC各相位中跨开关的电压和电池充电运动
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图8.SBC转换率取决于Vbat/Vout。黄点表示可能的转换率。
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图9.3:1 SBC拓扑结构:(a)电气原理图和(b)工作阶段
实验验证
使用两个2V - 2.8V的电池（B1和B2）实现3:1 SBC配置，选择电池电压为2.5V时，可将3.75V输入电压转换为1.25V输出电压。使用现成的CMOS模拟开关控制三个等时长的相位，计算得到等效输出电阻为8.7Ω，其中电池内阻贡献31%。 ![]()
图10.3:1 SBC输出电压波形
3:1 SBC在达到稳态操作前有稳定时间，电池会进行自调整，最终达到所需电压。测量和计算不同输出电流下的效率，结果表明效率相对不受频率影响，在输出电流超过10mA时，即使在100Hz的低频下，也可实现高传导效率（>90%），对应输出功率为15mW，功率密度为60μW/mm³。与2:1 SBC相比，3:1配置功率体积密度低近六倍，虽输出电压范围相似，但电池数量多、尺寸大、电路复杂、开关多，限制了功率密度。 ![]()
图11.不同频率下3:1 SBC的转换效率
3:1 SBC在无输出电容情况下，输出电压纹波在不同频率下均低于5%，且低于2:1 SBC在相同输出电流下的纹波值，这得益于电池的内部阻抗以及3:1 SBC的三相结构导致的较高开关频率。![]()
图12.3:1 SBC低压输出纹波在两个频率（100 Hz和1 kHz）
6.总结
介绍了用于毫安及以下超低功率应用的新型DC - DC转换器——开关电池转换器（SBC），它将电池作为飞跨无源器件，可在赫兹级的极低频率下工作以减少开关损失，与传统电池管理系统不同，SBC中的电池经历微周期变化，行为与常规电池操作有显著差异。 与常用的开关电容转换器（SCC）相比，SBC有多个优势，其一阶近似下电池不受频率相关的输出阻抗影响，可实现超低开关频率并降低轻负载下的损失。文中展示了3:1和2:1两种降压转换的SBC拓扑结构，证明了该方法的可行性和有效性。 实验结果表明：SBC在输出电流大于10mA时，即使在100Hz的低频下也能实现高功率效率（>90%），其体积在几十立方毫米范围内，适用于几十毫瓦的低输出功率DC - DC转换器。此外，SBC中电池独特的充放电特性显著延长了电池寿命，据报道可达10⁹次循环无降解。
