如何成功應(yīng)用DC－DC升壓穩(wěn)壓器
發(fā)布日期:2023-02-03
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智能手機、GPS 導航系統(tǒng)和平板電腦等便攜式電子設(shè)備的電源可能來自低壓太陽能電池板、電池或交流到直流電源。電池供電系統(tǒng)通常串聯(lián)堆疊電池以實現(xiàn)更高的電壓，但由于空間不足，這并不總是可行的。開關(guān)轉(zhuǎn)換器利用電感的磁場交替存儲能量，并以不同的電壓將其釋放到負載。損耗低，是高效率的不錯選擇。連接到轉(zhuǎn)換器輸出的電容器可降低輸出電壓紋波。此處介紹的升壓或升壓轉(zhuǎn)換器提供更高的電壓;降壓或降壓轉(zhuǎn)換器 — 在上一篇文章中介紹1—提供更低的輸出電壓。包含內(nèi)部FET作為開關(guān)的開關(guān)轉(zhuǎn)換器稱為開關(guān)穩(wěn)壓器，2而需要外部 FET 的器件稱為開關(guān)控制器。
圖1所示為由兩節(jié)串聯(lián)AA電池供電的典型低功耗系統(tǒng)。電池的可用輸出范圍約為1.8 V至3.4 V，而IC需要1.8 V和5.0 V才能工作。升壓轉(zhuǎn)換器可以在不增加電池數(shù)量的情況下升壓，為 WLED 背光、微型硬盤驅(qū)動器、音頻和 USB 外設(shè)供電，而降壓轉(zhuǎn)換器則為微處理器、存儲器和顯示器供電。
l圖1.典型的低功耗便攜式系統(tǒng)。
電感器具有抵抗電流變化的傾向，因此可實現(xiàn)升壓功能。充電時，電感器充當負載并存儲能量;放電時，它充當能量源。放電階段產(chǎn)生的電壓與電流的變化率有關(guān)，而不是與原始充電電壓有關(guān)，因此允許不同的輸入和輸出電壓電平。
升壓穩(wěn)壓器由兩個開關(guān)、兩個電容和一個電感組成，如圖2所示。非重疊開關(guān)驅(qū)動器可確保一次只有一個開關(guān)導通，以避免不必要的擊穿電流。在第 1 階段（t上），開關(guān) B 打開，開關(guān) A 關(guān)閉。電感接地，因此電流從V流出在接地。由于電感兩端的正電壓，電流增加，能量存儲在電感中。在第 2 階段 （t關(guān)閉），開關(guān) A 打開，開關(guān) B 關(guān)閉。電感器連接到負載，因此電流從V流出在到負載。由于電感兩端的負電壓，電流減小，存儲在電感中的能量被釋放到負載中。
圖2.降壓轉(zhuǎn)換器拓撲和工作波形。
請注意，開關(guān)穩(wěn)壓器操作可以是連續(xù)的，也可以是不連續(xù)的。在連續(xù)導通模式（CCM）下工作時，電感電流永遠不會降至零;在非連續(xù)導通模式（DCM）下工作時，電感電流可能降至零。電流紋波，顯示為 Δ我L在圖2中，使用Δ我L = (V在× 噸上)/L. 平均電感電流流入負載，而紋波電流流入輸出電容。
圖3.升壓穩(wěn)壓器集成了振蕩器、PWM 控制環(huán)路和開關(guān) FET。
使用肖特基二極管代替開關(guān)B的穩(wěn)壓器被定義為異步（或異步），而使用FET作為開關(guān)B的穩(wěn)壓器被定義為同步。在圖3中，開關(guān)A和B分別采用內(nèi)部NFET和外部肖特基二極管實現(xiàn)，以創(chuàng)建異步升壓穩(wěn)壓器。對于需要負載隔離和低關(guān)斷電流的低功耗應(yīng)用，可以添加外部FET，如圖4所示。將器件的EN引腳驅(qū)動至0.3 V以下可關(guān)斷穩(wěn)壓器，并完全斷開輸入與輸出的連接。
圖4.ADP1612/ADP1613典型應(yīng)用電路。
現(xiàn)代低功耗同步降壓穩(wěn)壓器使用脈寬調(diào)制（PWM）作為主要工作模式。PWM保持頻率恒定并改變脈沖寬度（t上） 來調(diào)節(jié)輸出電壓。提供的平均功率與占空比D成正比，使其成為為負載供電的有效方式。
例如，對于 15 V 的所需輸出電壓和 5 V 的可用輸入電壓，
D = （15 – 5）/15 = 0.67 或 67%。
能量是守恒的，因此輸入功率必須等于輸送到負載的功率減去任何損耗。假設(shè)轉(zhuǎn)換非常
例如，如果負載電流在15 V時為300 mA，我在5 V 時 = 900 mA—輸出電流的三倍。因此，可用負載電流隨著升壓電壓的增加而減小。
升壓轉(zhuǎn)換器使用電壓或電流反饋來調(diào)節(jié)所選輸出電壓;控制環(huán)路使輸出能夠保持調(diào)節(jié)以響應(yīng)負載變化。低功耗升壓穩(wěn)壓器的工作頻率通常在600 kHz至2 MHz之間。較高的開關(guān)頻率允許使用更小的電感器，但開關(guān)頻率每增加一倍，效率就會下降約2%。在ADP1612和ADP1613升壓轉(zhuǎn)換器（見附錄）中，開關(guān)頻率可通過引腳選擇，工作頻率為650 kHz以實現(xiàn)最高效率，工作頻率為1.3 MHz以實現(xiàn)最小的外部元件。將 FREQ 連接到 GND 以實現(xiàn) 650kHz 操作，或連接到 VIN 以實現(xiàn) 1.3-MHz 操作。
電感器是升壓穩(wěn)壓器的關(guān)鍵元件，在電源開關(guān)導通期間存儲能量，并在關(guān)斷期間通過輸出整流器將該能量傳輸?shù)捷敵龆?。為了平衡低電感電流紋波和高效率之間的權(quán)衡，ADP1612/ADP1613數(shù)據(jù)手冊建議電感值在4.7 μH至22 μH范圍內(nèi)。通常，對于給定的物理尺寸，較低值的電感具有較高的飽和電流和較低的串聯(lián)電阻，但較低的電感會導致較高的峰值電流，從而導致效率降低、紋波增加和噪聲增加。通常最好在不連續(xù)導通模式下運行升壓，以減小電感尺寸并提高穩(wěn)定性。峰值電感電流（最大輸入電流加上電感紋波電流的一半）必須低于電感的額定飽和電流;穩(wěn)壓器的最大直流輸入電流必須小于電感的均方根額定電流。
主要升壓穩(wěn)壓器規(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最低可用輸入電源電壓。規(guī)格可能顯示較寬的輸入電壓范圍，但輸入電壓必須低于V外實現(xiàn)高效運行。
接地或靜態(tài)電流：未輸送到負載的直流偏置電流（我q).越低我q效率越好，但是我q可在多種條件下指定，包括關(guān)斷、零負載、PFM 操作或 PWM 操作，因此最好查看特定工作電壓和負載電流下的運行效率，以確定適合應(yīng)用的最佳升壓穩(wěn)壓器。
關(guān)斷電流：使能引腳設(shè)置為關(guān)斷時消耗的輸入電流。 低我q對于電池供電設(shè)備處于睡眠模式時的長待機時間非常重要。
開關(guān)占空比：工作占空比必須低于最大占空比，否則輸出電壓將無法調(diào)節(jié)。例如，D = （V外– V在)/V外.跟V在= 5 V 和V外= 15 V， D = 67%。ADP1612和ADP1613的最大占空比為90%。
輸出電壓范圍：設(shè)備將支持的輸出電壓范圍。升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓可以是固定的，也可以是可調(diào)的，使用電阻器來設(shè)置所需的輸出電壓。
電流限制：升壓轉(zhuǎn)換器通常指定峰值電流限制，而不是負載電流。請注意，兩者之間的差異越大V在和V外，可用負載電流越低。峰值電流限值、輸入電壓、輸出電壓、開關(guān)頻率和電感值都設(shè)置了最大可用輸出電流。
線路調(diào)整率：線路調(diào)整率是由輸入電壓的變化引起的輸出電壓變化。
負載調(diào)整率：負載調(diào)整率是輸出電壓隨著輸出電流的變化而變化。
軟啟動：升壓穩(wěn)壓器必須具有軟啟動功能，該功能在啟動時以受控方式斜坡上升輸出電壓，以防止啟動時輸出電壓過沖。某些升壓轉(zhuǎn)換器的軟啟動可通過外部電容器進行調(diào)節(jié)。當軟啟動電容器充電時，它會限制器件允許的峰值電流。通過可調(diào)軟啟動，可以改變啟動時間以滿足系統(tǒng)要求。
熱關(guān)斷 （TSD）：如果結(jié)溫升至指定限值以上，熱關(guān)斷電路將關(guān)閉穩(wěn)壓器。持續(xù)的高結(jié)溫可能是高電流操作、電路板冷卻不良或環(huán)境溫度高的結(jié)果。保護電路包括遲滯，因此在熱關(guān)斷發(fā)生后片內(nèi)溫度降至預設(shè)限值以下之前，器件不會恢復正常工作狀態(tài)。
欠壓鎖定（UVLO）：如果輸入電壓低于UVLO閾值，IC自動關(guān)閉電源開關(guān)并進入低功耗模式。這可以防止在低輸入電壓下潛在的不穩(wěn)定工作，并防止功率器件在電路無法控制時導通。
結(jié)論
低功耗升壓穩(wěn)壓器通過提供經(jīng)過驗證的設(shè)計，消除了開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計的后顧之憂。設(shè)計計算可在數(shù)據(jù)手冊的應(yīng)用部分和ADIsimPower中找到。4設(shè)計工具簡化了最終用戶的任務(wù)。
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