以更低電壓驅(qū)動(dòng)更重負(fù)載，這項(xiàng)技術(shù)是？
發(fā)布日期:2022-04-09
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自舉這項(xiàng)技術(shù)適用于大部分升壓轉(zhuǎn)換器，可以在轉(zhuǎn)換器的電壓降低時(shí)保持驅(qū)動(dòng)重負(fù)載。許多便攜式設(shè)計(jì)要求升壓轉(zhuǎn)換器將低電池電壓轉(zhuǎn)換為更高電壓，但是，隨著電池電壓逐漸衰減，對(duì)升壓轉(zhuǎn)換器FET的驅(qū)動(dòng)力會(huì)降低，有時(shí)候會(huì)降低傳輸?shù)捷敵龅碾娏?。自舉技術(shù)克服了這一問題，不但延長了電池使用壽命，還增強(qiáng)了在驅(qū)動(dòng)重負(fù)載時(shí)的效率。
這些升壓轉(zhuǎn)換器專為提高效用而設(shè)計(jì)
ADP1612 是一款低成本高效率升壓轉(zhuǎn)換器，采用1.3 MHz，非常適合必須保持尺寸小巧的消費(fèi)電子電路。其中內(nèi)置關(guān)斷引腳，可以將靜態(tài)電流降低至低于2 μA，并以低至1.8 V的輸入電壓運(yùn)行，因此非常適合電池供電的電子器件。但是，隨著電池電壓降低，其峰值電流也會(huì)下降。如果在電池使用的最后幾小時(shí)內(nèi)，需要平 緩處理，這是有利的，但是，在以低電池輸入電壓驅(qū)動(dòng)重負(fù)載時(shí)，這會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)問題。自舉技術(shù)克服了這個(gè)問題，在提供高輸出電流和高效率的同時(shí)，允許電池電壓降低至更低的水平。
圖1顯示了ADP1612的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估套件。其中增加了一個(gè)200 mΩ電流檢測(cè)電阻，與電池輸入串聯(lián)，用于測(cè)量輸入電流。在電池輸入電路中增加了一個(gè)大型電解電容，用于平滑電感器的電流峰值，以便能夠高度準(zhǔn)確地測(cè)量檢測(cè)電阻上的平均電池電流。電池電壓由數(shù)字電壓表進(jìn)行測(cè)量，因此，可以用電池電壓乘以輸入電流來計(jì)算輸入功率。在輸出端增加阻性負(fù)載，用輸出功率除以輸入功率，計(jì)算得出轉(zhuǎn)換器的效率。
通過探測(cè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SW)，可以深入了解DC-DC轉(zhuǎn)換器是如何工作的。在FET接通時(shí)，電感電流升高，導(dǎo)致開關(guān)節(jié)點(diǎn)的底部電壓升高，幅度與FET的導(dǎo)通電阻成正比。此電壓越低，F(xiàn)ET的導(dǎo)通電阻越低。因此，在給定電流下，F(xiàn)ET中的損耗也越低。圖2顯示了采用非自舉配置的開關(guān)節(jié)點(diǎn)，電池電壓為2 V。開關(guān)節(jié)點(diǎn)的底部電壓峰值約為180 mV。
圖2. 開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓，2 V輸入，非自舉。
將電池電壓增大到3 V，可以得出圖3所示的開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形。我們注意到，隨著電池電壓升高，占空比走低，此外，開關(guān)節(jié)點(diǎn)下半部的電壓明顯更低，峰值為約80 mV。但是，由于3 V電池電壓的FET電流低于2 V電池電壓，所以很難看出導(dǎo)通電阻是否確實(shí)降低。
之后，將圖1所示的電路轉(zhuǎn)換為自舉配置。自舉涉及到將ADP1612的VIN引腳連接至輸出電壓。該部分啟動(dòng)后，由更高的輸出電壓供電，因此會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)FET，但ADP1612并不知道電池的電壓水平。經(jīng)過修改的電路如圖4所示。
圖4. 從輸出電壓自舉VIN引腳。
使能引腳可以連接至電池電壓VBATT，或連接至輸出電壓。如果電池電壓降至低于約1.7 V，將其連接至電池電壓會(huì)置位欠壓保護(hù)(UVLO)，但是，在將其連接至輸出電壓時(shí)，即使電池電壓降到遠(yuǎn)低于此電壓的水平，ADP1612也可以繼續(xù)進(jìn)行開關(guān)。
圖5顯示在電池電壓為2 V，測(cè)量輸出電壓為4.95 V時(shí)，非自舉和自舉配置的效率結(jié)果。
圖5. 輸入電壓為2 V時(shí)，ADP1612在非自舉配置和自舉(b/s)配置下的效率。
在圖5中，自舉配置的效率曲線用實(shí)線表示，在輕負(fù)載時(shí)明顯較低。這主要是因?yàn)?，器件的靜態(tài)電流（約4 mA）現(xiàn)在來自于輸出電壓，實(shí)際上乘以了因數(shù)
我們還可以看出，在電池電壓降低時(shí)，因?yàn)镕ET驅(qū)動(dòng)力更高，所以自舉電路的重負(fù)載電流（高于約260 mA）的效率開始改善。
圖6和圖7顯示在自舉模式下，開關(guān)節(jié)點(diǎn)底部的電壓。需要注意的是，自舉電路只影響控制器IC的電源電壓，不會(huì)影響功率路徑（電感器和輸出二極管）。所以，現(xiàn)在我們可以直接比較2 V自舉和非自舉開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓（圖6和圖2），以及3 V自舉和非自舉開關(guān)節(jié)點(diǎn)
電壓（圖7和圖3）。
圖6. 開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓，2 V輸入，自舉。
圖7. 開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓，3 V輸入，自舉。
在低電池電壓下，自舉電路具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在2 V電池電壓下，非自舉開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的峰值為180 mV，自舉電路的峰值僅為100 mV，表示導(dǎo)通電阻FET更低，導(dǎo)致的損耗也更低。在3 V電池電壓下，自舉電路似乎改善甚微乃至無改善，兩個(gè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形的峰值均為約80 mV。
最低可降至多低？
另一個(gè)有用實(shí)驗(yàn)是，在輸出電壓開始喪失穩(wěn)壓性之前，查看電池電壓可降低至多低。圖8顯示自舉和非自舉模式之間的比較。
圖8. 負(fù)載電流與最小輸入電壓。
在非自舉電路中，我們可以看到，在電池電壓低于約1.7 V（如藍(lán)色曲線所示）時(shí)，UVLO電路激活。與之相反，圖4中所示的自舉電路的使能和VIN引腳均連接至輸出電壓(5 V)，所以，UVLO電路不會(huì)激活，允許電路以更低電壓運(yùn)行。但是，該電路無法憑空產(chǎn)生功率。ADP1612提供峰值限流功能；所以，負(fù)載電流越高，所需的電池電壓也越高，才能達(dá)到固定峰值開關(guān)電流所需的負(fù)載電流。也因此，圖8中的紅色曲線會(huì)在負(fù)載電流升高時(shí)，幾乎成線性增長。
最低工作電壓由轉(zhuǎn)換器的最大占空比（約為90%）決定。根據(jù)公式
5V輸出電壓和90%最大占空比表示最小電池電壓為0.5 V，這與圖表中所示的結(jié)果一致。
令人驚訝的是，在圖8中，當(dāng)電池電壓高于2.2 V時(shí)，非自舉電路可以提供比自舉電路更高的負(fù)載電流。這是因?yàn)樵谟奢敵鲭妷汗╇姇r(shí)，ADP1612在自舉模式下具有更高的靜態(tài)電流。此外，ADP1612的效率低于100%，這會(huì)進(jìn)一步增大在給定的負(fù)載電流下電路所需的輸入電流。因此，在自舉模式下，所需的輸入電壓（約150 mV）會(huì)稍高于在非自舉模式下所需的電壓。如之前所述，在更高的電池電壓下，自舉電路的優(yōu)勢(shì)并不明顯，而更高的柵極驅(qū)動(dòng)帶來的優(yōu)勢(shì)并不足以抵消自舉電路的靜態(tài)電流升高導(dǎo)致的損耗增加。
其他優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
自舉配置也會(huì)影響電路的啟動(dòng)電壓。現(xiàn)在，ADP1612的VIN引腳由輸出供電，其電池電壓需要比非自舉電路高出一個(gè)肖特基二極管壓降。肖特基二極管中的壓降隨電流在約100 mV（電流約為50 μA）到高于200 mV（電流更高）之間變化。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，非自舉電路的啟動(dòng)電壓為約1.75 V（等于UVLO閾值），自舉電路的啟動(dòng)電壓則升高至約1.95 V。
自舉技術(shù)適用于在啟動(dòng)時(shí)不會(huì)斷開電池電壓和輸出之間連接的任何升壓轉(zhuǎn)換器。可以通過使用具有非常低的靜態(tài)電流的器件來消除低下的輕載效率帶來的影響。更高的啟動(dòng)電壓并不總是問題，因?yàn)樵陔姵睾谋M的情況下并不常需要啟動(dòng)電路。
如果在大部分使用情況下或高電池電壓下，電路的負(fù)載電流都相當(dāng)輕，那么使用自舉技術(shù)可能徒勞無益。但是，如果是重負(fù)載，且電路需要繼續(xù)運(yùn)行，直至電池電量耗盡那一刻，那么可以考慮使用自舉電路。
這些升壓轉(zhuǎn)換器專為提高效用而設(shè)計(jì)
ADP1612 是一款低成本高效率升壓轉(zhuǎn)換器，采用1.3 MHz，非常適合必須保持尺寸小巧的消費(fèi)電子電路。其中內(nèi)置關(guān)斷引腳，可以將靜態(tài)電流降低至低于2 μA，并以低至1.8 V的輸入電壓運(yùn)行，因此非常適合電池供電的電子器件。但是，隨著電池電壓降低，其峰值電流也會(huì)下降。如果在電池使用的最后幾小時(shí)內(nèi)，需要平 緩處理，這是有利的，但是，在以低電池輸入電壓驅(qū)動(dòng)重負(fù)載時(shí)，這會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)問題。自舉技術(shù)克服了這個(gè)問題，在提供高輸出電流和高效率的同時(shí)，允許電池電壓降低至更低的水平。
通過升壓轉(zhuǎn)換器延長電池壽命
圖1顯示了ADP1612的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估套件。其中增加了一個(gè)200 mΩ電流檢測(cè)電阻，與電池輸入串聯(lián)，用于測(cè)量輸入電流。在電池輸入電路中增加了一個(gè)大型電解電容，用于平滑電感器的電流峰值，以便能夠高度準(zhǔn)確地測(cè)量檢測(cè)電阻上的平均電池電流。電池電壓由數(shù)字電壓表進(jìn)行測(cè)量，因此，可以用電池電壓乘以輸入電流來計(jì)算輸入功率。在輸出端增加阻性負(fù)載，用輸出功率除以輸入功率，計(jì)算得出轉(zhuǎn)換器的效率。
通過探測(cè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SW)，可以深入了解DC-DC轉(zhuǎn)換器是如何工作的。在FET接通時(shí)，電感電流升高，導(dǎo)致開關(guān)節(jié)點(diǎn)的底部電壓升高，幅度與FET的導(dǎo)通電阻成正比。此電壓越低，F(xiàn)ET的導(dǎo)通電阻越低。因此，在給定電流下，F(xiàn)ET中的損耗也越低。圖2顯示了采用非自舉配置的開關(guān)節(jié)點(diǎn)，電池電壓為2 V。開關(guān)節(jié)點(diǎn)的底部電壓峰值約為180 mV。
圖2. 開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓，2 V輸入，非自舉。
將電池電壓增大到3 V，可以得出圖3所示的開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形。我們注意到，隨著電池電壓升高，占空比走低，此外，開關(guān)節(jié)點(diǎn)下半部的電壓明顯更低，峰值為約80 mV。但是，由于3 V電池電壓的FET電流低于2 V電池電壓，所以很難看出導(dǎo)通電阻是否確實(shí)降低。
圖3. 開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓，3 V輸入，非自舉。
之后，將圖1所示的電路轉(zhuǎn)換為自舉配置。自舉涉及到將ADP1612的VIN引腳連接至輸出電壓。該部分啟動(dòng)后，由更高的輸出電壓供電，因此會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)FET，但ADP1612并不知道電池的電壓水平。經(jīng)過修改的電路如圖4所示。
圖4. 從輸出電壓自舉VIN引腳。
使能引腳可以連接至電池電壓VBATT，或連接至輸出電壓。如果電池電壓降至低于約1.7 V，將其連接至電池電壓會(huì)置位欠壓保護(hù)(UVLO)，但是，在將其連接至輸出電壓時(shí)，即使電池電壓降到遠(yuǎn)低于此電壓的水平，ADP1612也可以繼續(xù)進(jìn)行開關(guān)。
圖5顯示在電池電壓為2 V，測(cè)量輸出電壓為4.95 V時(shí)，非自舉和自舉配置的效率結(jié)果。
圖5. 輸入電壓為2 V時(shí)，ADP1612在非自舉配置和自舉(b/s)配置下的效率。
在圖5中，自舉配置的效率曲線用實(shí)線表示，在輕負(fù)載時(shí)明顯較低。這主要是因?yàn)?，器件的靜態(tài)電流（約4 mA）現(xiàn)在來自于輸出電壓，實(shí)際上乘以了因數(shù)
我們還可以看出，在電池電壓降低時(shí)，因?yàn)镕ET驅(qū)動(dòng)力更高，所以自舉電路的重負(fù)載電流（高于約260 mA）的效率開始改善。
圖6和圖7顯示在自舉模式下，開關(guān)節(jié)點(diǎn)底部的電壓。需要注意的是，自舉電路只影響控制器IC的電源電壓，不會(huì)影響功率路徑（電感器和輸出二極管）。所以，現(xiàn)在我們可以直接比較2 V自舉和非自舉開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓（圖6和圖2），以及3 V自舉和非自舉開關(guān)節(jié)點(diǎn)
電壓（圖7和圖3）。
圖6. 開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓，2 V輸入，自舉。
圖7. 開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓，3 V輸入，自舉。
在低電池電壓下，自舉電路具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在2 V電池電壓下，非自舉開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的峰值為180 mV，自舉電路的峰值僅為100 mV，表示導(dǎo)通電阻FET更低，導(dǎo)致的損耗也更低。在3 V電池電壓下，自舉電路似乎改善甚微乃至無改善，兩個(gè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形的峰值均為約80 mV。
最低可降至多低？
另一個(gè)有用實(shí)驗(yàn)是，在輸出電壓開始喪失穩(wěn)壓性之前，查看電池電壓可降低至多低。圖8顯示自舉和非自舉模式之間的比較。
圖8. 負(fù)載電流與最小輸入電壓。
在非自舉電路中，我們可以看到，在電池電壓低于約1.7 V（如藍(lán)色曲線所示）時(shí)，UVLO電路激活。與之相反，圖4中所示的自舉電路的使能和VIN引腳均連接至輸出電壓(5 V)，所以，UVLO電路不會(huì)激活，允許電路以更低電壓運(yùn)行。但是，該電路無法憑空產(chǎn)生功率。ADP1612提供峰值限流功能；所以，負(fù)載電流越高，所需的電池電壓也越高，才能達(dá)到固定峰值開關(guān)電流所需的負(fù)載電流。也因此，圖8中的紅色曲線會(huì)在負(fù)載電流升高時(shí)，幾乎成線性增長。
最低工作電壓由轉(zhuǎn)換器的最大占空比（約為90%）決定。根據(jù)公式
5V輸出電壓和90%最大占空比表示最小電池電壓為0.5 V，這與圖表中所示的結(jié)果一致。
令人驚訝的是，在圖8中，當(dāng)電池電壓高于2.2 V時(shí)，非自舉電路可以提供比自舉電路更高的負(fù)載電流。這是因?yàn)樵谟奢敵鲭妷汗╇姇r(shí)，ADP1612在自舉模式下具有更高的靜態(tài)電流。此外，ADP1612的效率低于100%，這會(huì)進(jìn)一步增大在給定的負(fù)載電流下電路所需的輸入電流。因此，在自舉模式下，所需的輸入電壓（約150 mV）會(huì)稍高于在非自舉模式下所需的電壓。如之前所述，在更高的電池電壓下，自舉電路的優(yōu)勢(shì)并不明顯，而更高的柵極驅(qū)動(dòng)帶來的優(yōu)勢(shì)并不足以抵消自舉電路的靜態(tài)電流升高導(dǎo)致的損耗增加。
其他優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
自舉配置也會(huì)影響電路的啟動(dòng)電壓。現(xiàn)在，ADP1612的VIN引腳由輸出供電，其電池電壓需要比非自舉電路高出一個(gè)肖特基二極管壓降。肖特基二極管中的壓降隨電流在約100 mV（電流約為50 μA）到高于200 mV（電流更高）之間變化。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，非自舉電路的啟動(dòng)電壓為約1.75 V（等于UVLO閾值），自舉電路的啟動(dòng)電壓則升高至約1.95 V。
結(jié)論：升壓轉(zhuǎn)換器是否已就緒？開始提高效用
自舉技術(shù)適用于在啟動(dòng)時(shí)不會(huì)斷開電池電壓和輸出之間連接的任何升壓轉(zhuǎn)換器。可以通過使用具有非常低的靜態(tài)電流的器件來消除低下的輕載效率帶來的影響。更高的啟動(dòng)電壓并不總是問題，因?yàn)樵陔姵睾谋M的情況下并不常需要啟動(dòng)電路。
如果在大部分使用情況下或高電池電壓下，電路的負(fù)載電流都相當(dāng)輕，那么使用自舉技術(shù)可能徒勞無益。但是，如果是重負(fù)載，且電路需要繼續(xù)運(yùn)行，直至電池電量耗盡那一刻，那么可以考慮使用自舉電路。
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