DC-DC升壓調(diào)節(jié)器在低功耗便攜式系統(tǒng)的應(yīng)用
發(fā)布日期:2022-04-07
點(diǎn)擊次數(shù):2246
便攜式電子器件（如智能手機(jī)、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)和平板電腦）的電 源可以來(lái)自低壓太陽(yáng)能電池板、電池或AC-DC電源。電池供電系 統(tǒng)通常將電池串聯(lián)疊置以實(shí)現(xiàn)更高的電壓，但此技術(shù)由于空間不 足未必總是可行。開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器使用電感磁場(chǎng)來(lái)交替存儲(chǔ)電能，并以不同電壓釋放至負(fù)載。因?yàn)閾p耗很低，所以是個(gè)不錯(cuò)的高效選 擇。連接至轉(zhuǎn)換器輸出端的電容可降低輸出電壓紋波。本文所討論的升壓， 轉(zhuǎn)換器提供較高電壓；而前一篇文章1所討論的降壓轉(zhuǎn)換器提供較低輸出電壓。內(nèi)置FET作為開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器稱為開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，2 需要外部FET的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器則稱為開(kāi)關(guān)控制器.3
圖1顯示采用兩節(jié)串聯(lián)的AA電池供電的典型低功耗系統(tǒng)。電 可用輸出范圍約為1.8 V至3.4 V，而IC工作時(shí)需要1.8 V和5.0 V 電壓。升壓轉(zhuǎn)換器可在不增加電池單元數(shù)量的情況下提升電 壓，從而為WLED背光、微型硬盤驅(qū)動(dòng)器、音頻設(shè)備和USB外 設(shè)供電，而降壓轉(zhuǎn)換器可為、內(nèi)存和顯示器供電。
圖1.典型低功耗便攜式系統(tǒng)
電感阻礙電流變化的傾向可提供升壓功能。充電時(shí)，電感用作 負(fù)載并存儲(chǔ)電能；放電時(shí)，可用作電源。放電過(guò)程中產(chǎn)生的電 壓與電流變化速率相關(guān)，與原始充電電壓無(wú)關(guān)，因此可提供不 同的輸入和輸出電平。
升壓調(diào)節(jié)器包括兩個(gè)開(kāi)關(guān)、兩個(gè)電容和一個(gè)電感，如圖2所示。 非交疊開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)機(jī)制確保任一時(shí)間只有一個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，避免發(fā) 生不良的直通電流。在第1階段（tON），開(kāi)關(guān)B斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)A閉合。 ON電感連接到地，因此電流從VIN流到地。由于電感端為正電壓，因此電流增大，使電能存儲(chǔ)于電感中。在第2階段（tOFF）， 開(kāi)關(guān)A斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)B閉合。電感連接到負(fù)載，因此電流從VIN流到負(fù)載。由于電感端為負(fù)電壓，因此電流減小，電感中存儲(chǔ)的能量 釋放到負(fù)載中。
圖2.降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作波形
注意，開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器既可以連續(xù)工作，也可以斷續(xù)工作以連續(xù)導(dǎo)通模式 （CCM）， 工作時(shí)，電感電流不會(huì)降至0；以斷續(xù)導(dǎo)通模式 （DCM）， 工作時(shí)，電感電流可以降至0。 電流紋波，在圖2中顯示為ΔIL 使用公式ΔIL = （VIN ? tON）/L.計(jì)算。平均電感電流流入負(fù)載，而紋波電流流入輸出電容。
圖3.升壓調(diào)節(jié)器集成振蕩器、PWM控制環(huán)路和開(kāi)關(guān)FET
使用肖特基二極管代替開(kāi)關(guān)B的調(diào)節(jié)器定義為異步 （或非同步）， 調(diào)節(jié)器，而使用FET作為開(kāi)關(guān)B的調(diào)節(jié)器定義為同步調(diào)節(jié)器。 圖3中，開(kāi)關(guān)A和B已分別使用內(nèi)部NFET和外部肖特基二極管 來(lái)實(shí)施，從而形成異步升壓調(diào)節(jié)器。對(duì)于需要負(fù)載隔離和低關(guān) 斷電流的低功耗應(yīng)用，可添加外部FET，如圖4所示。將器件 的EN引腳驅(qū)動(dòng)至0.3 V以下便可關(guān)斷調(diào)節(jié)器，使輸入與輸出完 全斷開(kāi)。
圖4.ADP1612/ADP1613典型應(yīng)用電路
現(xiàn)代低功耗同步降壓調(diào)節(jié)器以脈寬調(diào)制（PWM）為主要工作模式。PWM保持頻率不變，通過(guò)改變脈沖寬度（tON）來(lái)調(diào)整輸出電壓。輸送的平均功率與占空 D成正比，因此這是一種向負(fù)載 提供功率的有效方式
D=（15-5）/15=0.67 or 67%.
由于功耗降低，輸入功率必須等于傳遞至負(fù)載的功率減去所有 損耗。假定轉(zhuǎn)換十分有效，則少量的功率損失可在基本功耗計(jì) 算中省略不計(jì)。因此輸入電流可近似表示為：
例如，如果負(fù)載電流在15 V時(shí)為300 mA，則5 V時(shí)IIN = 900 mA at 5 V—即輸出電流的三倍。因此，可用負(fù)載電流隨著升壓電壓增大而 降低。
升壓轉(zhuǎn)換器使用電壓或電流反饋來(lái)調(diào)節(jié)選定的輸出電壓；控制 環(huán)路則可根據(jù)負(fù)載變化保持輸出調(diào)節(jié)。低功耗升壓轉(zhuǎn)換器的工 作頻率范圍一般是600 kHz到2 MHz。開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，所用的 電感可以更小，但開(kāi)關(guān)頻率每增加一倍，效率就會(huì)降低大約2%。在ADP1612 和ADP1613升壓轉(zhuǎn)換器（參見(jiàn)附錄）中，開(kāi)關(guān)頻率可通過(guò)引腳選擇，很高效率下的工作頻率為650 kHz，很小外部 器件的工作頻率為1.3 MHz。對(duì)于650 kHz的工作頻率，將FREQ 連接至GND，而1.3 MHz的工作頻率則連接至VIN。
電感是升壓調(diào)節(jié)器的關(guān)鍵器件，它在電源開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間存儲(chǔ)電能，而在關(guān)斷期間通過(guò)輸出整流器將電能傳輸至輸出端。為了在低電感電流紋波與高效率之間取得平衡，ADP1612/ADP1613 數(shù)據(jù)手冊(cè)建議電感值范圍為4.7 μH至22 μH。一般而言，較低值 的電感在給定實(shí)體尺寸下具有更高的飽和電流和更低的串聯(lián)電 阻，而較低的電感導(dǎo)致較高的峰值電流，可降低效率并增加紋 波和噪聲。通常很好在斷續(xù)導(dǎo)通模式下執(zhí)行升壓，以便縮小電 感尺寸并改善穩(wěn)定性。峰值電感電流（很大輸入電流加一半的 電感紋波電流）必須小于電感的額定飽和電流；而調(diào)節(jié)器的很 大直流輸入電流必須小于電感的電流有效值額定值。
升壓調(diào)節(jié)器主要規(guī)格和定義
輸入電壓范圍：升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍決定了很低的可用輸入電源。規(guī)格可能提供很寬的輸入電壓范圍，但輸入電壓必須低于 VOUT才能實(shí)現(xiàn)高效率工作。
地電流或靜態(tài)電流：未輸送給負(fù)載的直流偏置電流（Iq）。 Iq越低則效率越高，然而， Iq 可以針對(duì)許多條件進(jìn)行規(guī)定，包括關(guān)斷、零負(fù)載、PFM工作模式或PWM工作模式。因此，為了確定某 個(gè)應(yīng)用的很佳升壓調(diào)節(jié)器，很好查看特定工作電壓和負(fù)載電流 下的實(shí)際工作效率。
關(guān)斷電流： 這是使能引腳禁用時(shí)器件消耗的輸入電流，低Iq對(duì)于電池供電器件在休眠模式下能否長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)很重要。
開(kāi)關(guān)占空比：工作占空比必須小于很大占空比，否則輸出電壓無(wú)法調(diào)節(jié)。
例如， D = （VOUT – VIN）/VOUT. 時(shí)VIN= 5 V and VOUT = 15 V， D = 67%. ADP1612和ADP1613的很大占空比為90%。
開(kāi)關(guān)占空比：工作占空比必須小于很大占空比，否則輸出電壓無(wú)法調(diào)節(jié)。例如， D = （VOUT – VIN）/VOUT. 時(shí)VIN= 5 V and VOUT = 15 V， D = 67%. ADP1612和ADP1613的很大占空比為90%。
限流：升壓轉(zhuǎn)換器通常指定峰值電流限值而不是負(fù)載電流。請(qǐng)注意VIN and VOUT間的差異越大，可用負(fù)載電流越低。峰值電流限值、輸入電壓、輸出電壓、開(kāi)關(guān)頻率和電感值均會(huì)決定很大可用輸出電流。
線路調(diào)整率： 線路調(diào)整率是指輸出電壓隨輸入電壓變化而發(fā)生的變化率。
負(fù)載調(diào)整率： 負(fù)載調(diào)整率是指輸出電壓隨輸出電流變化而發(fā)生的變化率。
軟啟動(dòng)：升壓轉(zhuǎn)換器具有軟啟動(dòng)功能很重要，啟動(dòng)時(shí)輸出電壓以可控方式緩升，從而避免啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)輸出電壓過(guò)沖現(xiàn)象。某 些升壓轉(zhuǎn)換器的軟啟動(dòng)可通過(guò)外部電容調(diào)節(jié)。隨著軟啟動(dòng)電容 充電，它會(huì)限制器件允許的峰值電流。憑借可調(diào)軟啟動(dòng)功能 可改變啟動(dòng)時(shí)間以滿足系統(tǒng)要求。
熱關(guān)斷（TSD）：當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度超過(guò)規(guī)定的限值時(shí)，熱關(guān)斷電路就會(huì)關(guān)閉調(diào)節(jié)器。一直較高的結(jié)溫可能由工作電流高、冷 卻不佳或環(huán)境溫度高等原因引起。保護(hù)電路包括遲滯，以防止 發(fā)生熱關(guān)斷后，器件在片內(nèi)溫度降至預(yù)設(shè)限值以下后才返回正 常工作狀態(tài)
欠壓閉鎖（UVLO）： 如果輸入電壓低于UVLO閾值，IC便自動(dòng)關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)并進(jìn)入低功耗模式。這可以防止低輸入電壓下可 能發(fā)生的工作不穩(wěn)定現(xiàn)象，并防止電源器件在電路無(wú)法控制它 時(shí)啟動(dòng)。
結(jié)束語(yǔ)
低功耗升壓調(diào)節(jié)器通過(guò)提供成熟計(jì)使開(kāi)關(guān)的設(shè) DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單。數(shù)據(jù)手冊(cè)應(yīng)用部分提供了設(shè)計(jì)計(jì)算，ADIsimPower4 設(shè)計(jì)工具可簡(jiǎn)化很終用戶的任務(wù)。
圖1顯示采用兩節(jié)串聯(lián)的AA電池供電的典型低功耗系統(tǒng)。電 可用輸出范圍約為1.8 V至3.4 V，而IC工作時(shí)需要1.8 V和5.0 V 電壓。升壓轉(zhuǎn)換器可在不增加電池單元數(shù)量的情況下提升電 壓，從而為WLED背光、微型硬盤驅(qū)動(dòng)器、音頻設(shè)備和USB外 設(shè)供電，而降壓轉(zhuǎn)換器可為、內(nèi)存和顯示器供電。
圖1.典型低功耗便攜式系統(tǒng)
電感阻礙電流變化的傾向可提供升壓功能。充電時(shí)，電感用作 負(fù)載并存儲(chǔ)電能；放電時(shí)，可用作電源。放電過(guò)程中產(chǎn)生的電 壓與電流變化速率相關(guān)，與原始充電電壓無(wú)關(guān)，因此可提供不 同的輸入和輸出電平。
升壓調(diào)節(jié)器包括兩個(gè)開(kāi)關(guān)、兩個(gè)電容和一個(gè)電感，如圖2所示。 非交疊開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)機(jī)制確保任一時(shí)間只有一個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，避免發(fā) 生不良的直通電流。在第1階段（tON），開(kāi)關(guān)B斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)A閉合。 ON電感連接到地，因此電流從VIN流到地。由于電感端為正電壓，因此電流增大，使電能存儲(chǔ)于電感中。在第2階段（tOFF）， 開(kāi)關(guān)A斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)B閉合。電感連接到負(fù)載，因此電流從VIN流到負(fù)載。由于電感端為負(fù)電壓，因此電流減小，電感中存儲(chǔ)的能量 釋放到負(fù)載中。
圖2.降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作波形
注意，開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器既可以連續(xù)工作，也可以斷續(xù)工作以連續(xù)導(dǎo)通模式 （CCM）， 工作時(shí)，電感電流不會(huì)降至0；以斷續(xù)導(dǎo)通模式 （DCM）， 工作時(shí)，電感電流可以降至0。 電流紋波，在圖2中顯示為ΔIL 使用公式ΔIL = （VIN ? tON）/L.計(jì)算。平均電感電流流入負(fù)載，而紋波電流流入輸出電容。
圖3.升壓調(diào)節(jié)器集成振蕩器、PWM控制環(huán)路和開(kāi)關(guān)FET
使用肖特基二極管代替開(kāi)關(guān)B的調(diào)節(jié)器定義為異步 （或非同步）， 調(diào)節(jié)器，而使用FET作為開(kāi)關(guān)B的調(diào)節(jié)器定義為同步調(diào)節(jié)器。 圖3中，開(kāi)關(guān)A和B已分別使用內(nèi)部NFET和外部肖特基二極管 來(lái)實(shí)施，從而形成異步升壓調(diào)節(jié)器。對(duì)于需要負(fù)載隔離和低關(guān) 斷電流的低功耗應(yīng)用，可添加外部FET，如圖4所示。將器件 的EN引腳驅(qū)動(dòng)至0.3 V以下便可關(guān)斷調(diào)節(jié)器，使輸入與輸出完 全斷開(kāi)。
圖4.ADP1612/ADP1613典型應(yīng)用電路
現(xiàn)代低功耗同步降壓調(diào)節(jié)器以脈寬調(diào)制（PWM）為主要工作模式。PWM保持頻率不變，通過(guò)改變脈沖寬度（tON）來(lái)調(diào)整輸出電壓。輸送的平均功率與占空 D成正比，因此這是一種向負(fù)載 提供功率的有效方式
D=（15-5）/15=0.67 or 67%.
由于功耗降低，輸入功率必須等于傳遞至負(fù)載的功率減去所有 損耗。假定轉(zhuǎn)換十分有效，則少量的功率損失可在基本功耗計(jì) 算中省略不計(jì)。因此輸入電流可近似表示為：
例如，如果負(fù)載電流在15 V時(shí)為300 mA，則5 V時(shí)IIN = 900 mA at 5 V—即輸出電流的三倍。因此，可用負(fù)載電流隨著升壓電壓增大而 降低。
升壓轉(zhuǎn)換器使用電壓或電流反饋來(lái)調(diào)節(jié)選定的輸出電壓；控制 環(huán)路則可根據(jù)負(fù)載變化保持輸出調(diào)節(jié)。低功耗升壓轉(zhuǎn)換器的工 作頻率范圍一般是600 kHz到2 MHz。開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，所用的 電感可以更小，但開(kāi)關(guān)頻率每增加一倍，效率就會(huì)降低大約2%。在ADP1612 和ADP1613升壓轉(zhuǎn)換器（參見(jiàn)附錄）中，開(kāi)關(guān)頻率可通過(guò)引腳選擇，很高效率下的工作頻率為650 kHz，很小外部 器件的工作頻率為1.3 MHz。對(duì)于650 kHz的工作頻率，將FREQ 連接至GND，而1.3 MHz的工作頻率則連接至VIN。
電感是升壓調(diào)節(jié)器的關(guān)鍵器件，它在電源開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間存儲(chǔ)電能，而在關(guān)斷期間通過(guò)輸出整流器將電能傳輸至輸出端。為了在低電感電流紋波與高效率之間取得平衡，ADP1612/ADP1613 數(shù)據(jù)手冊(cè)建議電感值范圍為4.7 μH至22 μH。一般而言，較低值 的電感在給定實(shí)體尺寸下具有更高的飽和電流和更低的串聯(lián)電 阻，而較低的電感導(dǎo)致較高的峰值電流，可降低效率并增加紋 波和噪聲。通常很好在斷續(xù)導(dǎo)通模式下執(zhí)行升壓，以便縮小電 感尺寸并改善穩(wěn)定性。峰值電感電流（很大輸入電流加一半的 電感紋波電流）必須小于電感的額定飽和電流；而調(diào)節(jié)器的很 大直流輸入電流必須小于電感的電流有效值額定值。
升壓調(diào)節(jié)器主要規(guī)格和定義
輸入電壓范圍：升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍決定了很低的可用輸入電源。規(guī)格可能提供很寬的輸入電壓范圍，但輸入電壓必須低于 VOUT才能實(shí)現(xiàn)高效率工作。
地電流或靜態(tài)電流：未輸送給負(fù)載的直流偏置電流（Iq）。 Iq越低則效率越高，然而， Iq 可以針對(duì)許多條件進(jìn)行規(guī)定，包括關(guān)斷、零負(fù)載、PFM工作模式或PWM工作模式。因此，為了確定某 個(gè)應(yīng)用的很佳升壓調(diào)節(jié)器，很好查看特定工作電壓和負(fù)載電流 下的實(shí)際工作效率。
關(guān)斷電流： 這是使能引腳禁用時(shí)器件消耗的輸入電流，低Iq對(duì)于電池供電器件在休眠模式下能否長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)很重要。
開(kāi)關(guān)占空比：工作占空比必須小于很大占空比，否則輸出電壓無(wú)法調(diào)節(jié)。
例如， D = （VOUT – VIN）/VOUT. 時(shí)VIN= 5 V and VOUT = 15 V， D = 67%. ADP1612和ADP1613的很大占空比為90%。
開(kāi)關(guān)占空比：工作占空比必須小于很大占空比，否則輸出電壓無(wú)法調(diào)節(jié)。例如， D = （VOUT – VIN）/VOUT. 時(shí)VIN= 5 V and VOUT = 15 V， D = 67%. ADP1612和ADP1613的很大占空比為90%。
限流：升壓轉(zhuǎn)換器通常指定峰值電流限值而不是負(fù)載電流。請(qǐng)注意VIN and VOUT間的差異越大，可用負(fù)載電流越低。峰值電流限值、輸入電壓、輸出電壓、開(kāi)關(guān)頻率和電感值均會(huì)決定很大可用輸出電流。
線路調(diào)整率： 線路調(diào)整率是指輸出電壓隨輸入電壓變化而發(fā)生的變化率。
負(fù)載調(diào)整率： 負(fù)載調(diào)整率是指輸出電壓隨輸出電流變化而發(fā)生的變化率。
軟啟動(dòng)：升壓轉(zhuǎn)換器具有軟啟動(dòng)功能很重要，啟動(dòng)時(shí)輸出電壓以可控方式緩升，從而避免啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)輸出電壓過(guò)沖現(xiàn)象。某 些升壓轉(zhuǎn)換器的軟啟動(dòng)可通過(guò)外部電容調(diào)節(jié)。隨著軟啟動(dòng)電容 充電，它會(huì)限制器件允許的峰值電流。憑借可調(diào)軟啟動(dòng)功能 可改變啟動(dòng)時(shí)間以滿足系統(tǒng)要求。
熱關(guān)斷（TSD）：當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度超過(guò)規(guī)定的限值時(shí)，熱關(guān)斷電路就會(huì)關(guān)閉調(diào)節(jié)器。一直較高的結(jié)溫可能由工作電流高、冷 卻不佳或環(huán)境溫度高等原因引起。保護(hù)電路包括遲滯，以防止 發(fā)生熱關(guān)斷后，器件在片內(nèi)溫度降至預(yù)設(shè)限值以下后才返回正 常工作狀態(tài)
欠壓閉鎖（UVLO）： 如果輸入電壓低于UVLO閾值，IC便自動(dòng)關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)并進(jìn)入低功耗模式。這可以防止低輸入電壓下可 能發(fā)生的工作不穩(wěn)定現(xiàn)象，并防止電源器件在電路無(wú)法控制它 時(shí)啟動(dòng)。
結(jié)束語(yǔ)
低功耗升壓調(diào)節(jié)器通過(guò)提供成熟計(jì)使開(kāi)關(guān)的設(shè) DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單。數(shù)據(jù)手冊(cè)應(yīng)用部分提供了設(shè)計(jì)計(jì)算，ADIsimPower4 設(shè)計(jì)工具可簡(jiǎn)化很終用戶的任務(wù)。
|
免責(zé)聲明： 本文章轉(zhuǎn)自其它平臺(tái)，并不代表本站觀點(diǎn)及立場(chǎng)。若有侵權(quán)或異議，請(qǐng)聯(lián)系我們刪除。謝謝！ |
發(fā)送郵件
商務(wù)QQ客服
13823761625
