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DC-DC升压调节器在低功耗便携式系统的应用
文章来源:永阜康科技 更新时间:2022/4/1 10:48:00

便携式电子器件(如智能手机、GPS导航系统和平板电脑)的电 源可以来自低压太阳能电池板、电池或AC-DC电源。电池供电系 统通常将电池串联叠置以实现更高的电压,但此技术由于空间不 足未必总是可行。开关转换器使用电感磁场来交替存储电能,并以不同电压释放至负载。因为损耗很低,所以是个不错的高效选 择。连接至转换器输出端的电容可降低输出电压纹波。本文所讨论的升压, 转换器提供较高电压;而前一篇文章1所讨论的降压转换器提供较低输出电压。内置FET作为开关的开关转换器称为开关调节器,2 需要外部FET的开关转换器则称为开关控制器.3

图1显示采用两节串联的AA电池供电的典型低功耗系统。电 可用输出范围约为1.8 V至3.4 V,而IC工作时需要1.8 V和5.0 V 电压。升压转换器可在不增加电池单元数量的情况下提升电 压,从而为WLED背光、微型硬盘驱动器、音频设备和USB外 设供电,而降压转换器可为、内存和显示器供电。

 
图1.典型低功耗便携式系统

电感阻碍电流变化的倾向可提供升压功能。充电时,电感用作 负载并存储电能;放电时,可用作电源。放电过程中产生的电 压与电流变化速率相关,与原始充电电压无关,因此可提供不 同的输入和输出电平。

升压调节器包括两个开关、两个电容和一个电感,如图2所示。 非交叠开关驱动机制确保任一时间只有一个开关导通,避免发 生不良的直通电流。在第1阶段(tON),开关B断开,开关A闭合。 ON电感连接到地,因此电流从VIN流到地。由于电感端为正电压,因此电流增大,使电能存储于电感中。在第2阶段(tOFF), 开关A断开,开关B闭合。电感连接到负载,因此电流从VIN流到负载。由于电感端为负电压,因此电流减小,电感中存储的能量 释放到负载中。


图2.降压转换器拓扑结构和工作波形

注意,开关调节器既可以连续工作,也可以断续工作以连续导通模式 (CCM), 工作时,电感电流不会降至0;以断续导通模式 (DCM), 工作时,电感电流可以降至0。 电流纹波,在图2中显示为ΔIL 使用公式ΔIL = (VIN ? tON)/L.计算。平均电感电流流入负载,而纹波电流流入输出电容。


图3.升压调节器集成振荡器、PWM控制环路和开关FET

使用肖特基二极管代替开关B的调节器定义为异步 (或非同步), 调节器,而使用FET作为开关B的调节器定义为同步调节器。 图3中,开关A和B已分别使用内部NFET和外部肖特基二极管 来实施,从而形成异步升压调节器。对于需要负载隔离和低关 断电流的低功耗应用,可添加外部FET,如图4所示。将器件 的EN引脚驱动至0.3 V以下便可关断调节器,使输入与输出完 全断开。


图4.ADP1612/ADP1613典型应用电路

现代低功耗同步降压调节器以脉宽调制(PWM)为主要工作模式。PWM保持频率不变,通过改变脉冲宽度(tON)来调整输出电压。输送的平均功率与占空 D成正比,因此这是一种向负载 提供功率的有效方式


例如,所需输出电压为15 V,可用输入电压为5 V时:

D = (15 – 5)/15 = 0.67 or 67%.

由于功耗降低,输入功率必须等于传递至负载的功率减去所有 损耗。假定转换十分有效,则少量的功率损失可在基本功耗计 算中省略不计。因此输入电流可近似表示为:


例如,如果负载电流在15 V时为300 mA,则5 V时IIN = 900 mA at 5 V—即输出电流的三倍。因此,可用负载电流随着升压电压增大而 降低。

升压转换器使用电压或电流反馈来调节选定的输出电压;控制 环路则可根据负载变化保持输出调节。低功耗升压转换器的工 作频率范围一般是600 kHz到2 MHz。开关频率较高时,所用的 电感可以更小,但开关频率每增加一倍,效率就会降低大约2%。在ADP1612 和ADP1613升压转换器(参见附录)中,开关频率可通过引脚选择,很高效率下的工作频率为650 kHz,很小外部 器件的工作频率为1.3 MHz。对于650 kHz的工作频率,将FREQ 连接至GND,而1.3 MHz的工作频率则连接至VIN。

电感是升压调节器的关键器件,它在电源开关导通期间存储电能,而在关断期间通过输出整流器将电能传输至输出端。为了在低电感电流纹波与高效率之间取得平衡,ADP1612/ADP1613 数据手册建议电感值范围为4.7 μH至22 μH。一般而言,较低值 的电感在给定实体尺寸下具有更高的饱和电流和更低的串联电 阻,而较低的电感导致较高的峰值电流,可降低效率并增加纹 波和噪声。通常很好在断续导通模式下执行升压,以便缩小电 感尺寸并改善稳定性。峰值电感电流(很大输入电流加一半的 电感纹波电流)必须小于电感的额定饱和电流;而调节器的很 大直流输入电流必须小于电感的电流有效值额定值。

升压调节器主要规格和定义

输入电压范围:升压转换器的输入电压范围决定了很低的可用输入电源。规格可能提供很宽的输入电压范围,但输入电压必须低于 VOUT才能实现高效率工作。

地电流或静态电流:未输送给负载的直流偏置电流(Iq)。 Iq越低则效率越高,然而, Iq 可以针对许多条件进行规定,包括关断、零负载、PFM工作模式或PWM工作模式。因此,为了确定某 个应用的很佳升压调节器,很好查看特定工作电压和负载电流 下的实际工作效率。

关断电流: 这是使能引脚禁用时器件消耗的输入电流,低Iq对于电池供电器件在休眠模式下能否长时间待机很重要。

开关占空比:工作占空比必须小于很大占空比,否则输出电压无法调节。例如, D = (VOUT – VIN)/VOUT. 时VIN= 5 V and VOUT = 15 V, D = 67%. ADP1612和ADP1613的很大占空比为90%。

输出电压范围: 即器件可支持的输出电压范围。升压转换器的输出电压可以是固定的,或者可利用电阻设定所需的输出电压来调节。

限流:升压转换器通常指定峰值电流限值而不是负载电流。请注意VIN and VOUT间的差异越大,可用负载电流越低。峰值电流限值、输入电压、输出电压、开关频率和电感值均会决定很大可用输出电流。

线路调整率: 线路调整率是指输出电压随输入电压变化而发生的变化率。

负载调整率: 负载调整率是指输出电压随输出电流变化而发生的变化率。

软启动:升压转换器具有软启动功能很重要,启动时输出电压以可控方式缓升,从而避免启动时出现输出电压过冲现象。某 些升压转换器的软启动可通过外部电容调节。随着软启动电容 充电,它会限制器件允许的峰值电流。凭借可调软启动功能 可改变启动时间以满足系统要求。

热关断(TSD):当结点温度超过规定的限值时,热关断电路就会关闭调节器。一直较高的结温可能由工作电流高、冷 却不佳或环境温度高等原因引起。保护电路包括迟滞,以防止 发生热关断后,器件在片内温度降至预设限值以下后才返回正 常工作状态

欠压闭锁(UVLO): 如果输入电压低于UVLO阈值,IC便自动关闭电源开关并进入低功耗模式。这可以防止低输入电压下可 能发生的工作不稳定现象,并防止电源器件在电路无法控制它 时启动。

结束语

低功耗升压调节器通过提供成熟计使开关的设 DC-DC转换器设设计变得简单。数据手册应用部分提供了设计计算,ADIsimPower4 设计工具可简化很终用户的任务。

 
 
 
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