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第45卷

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在系统中成功运用DC- DC升压调节器

作者 Ken Marasco

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,而降压转换器可为微处理器、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ADP1612ADP1613升压转换器(参见附录)中,开关频率可通过引脚选择,最高效率下的工作频率为650 kHz,最小外部 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。通常最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(最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;而调节器的最 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最低的可用输入电源。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 个应用的最佳升压调节器,最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最大占空比,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的最大占空比为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最大可用输出电流。

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、电路板冷 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 设计工具可简化最终用户的任务。如需其他信息,请联系ADI公司应用工程师,或者访问ez.analog.com的中文技术论坛寻求帮助。有关ADI升压调节器选型指南、数据手册和应用笔记,请访问:
www.analog.com/power.

参考文献
(有关所有ADI公司器件的信息,请访问: www.analog.com/zh.)

1www.analog.com/library/analogDialogue/archives/45-06/buck_regulators.html.

2www.analog.com/en/power-management/switching-regulators-integrated-fet-switches/products/index.html.

3www.analog.com/en/power-management/switching-controllers-external-switches/products/index.html.

4http://designtools.analog.com/dtPowerWeb/dtPowerMain.aspx

Lenk, John D. Simplified Design of Switching Power Supplies. Elsevier/Newnes. 1996.

Marasco, K. “How to Apply DC-to-DC Step-Down (Buck) Regulators Successfully.” Analog Dialogue. Volume 45. June 2011.

Marasco, K. “How to Apply Low-Dropout Regulators Successfully.” Analog Dialogue. Volume 43, Number 3. 2009.

附录
升压DC-DC开关转换器的工作频率是650 kHz/1300 kHz
分别采用1.8 V至5.5 V单电源或2.5 V至5.5 V单电源供电时,升 压转换器ADP1612和ADP1613能够以高达20 V的电压供应超过 150 mA的电流。通过将一个1.4 A/2.0 A、0.13 功率开关一个 电流模式脉宽调制调节器集成在一起,其输出随输入电压、负 载电流和温度变化仅改变不到1%。工作频率可通过引脚选择, 并通过优化实现高效率或最小外部元件尺寸:650 kHz时,其效 率可达到90%;1.3 MHz时,其电路能够以最小空间实现,因 而非常适合便携式设备和液晶显示器中的空间受限环境。可调 软启动电路防止发生浪涌电流,确保安全、可预测的启动条件。 ADP1612和ADP1613在开关状态下的功耗为 2.2 mA,在非开关 关断模式下的功耗为 10 nA。这些器 状态下的功耗为 700 μA,在 件采用8引脚MSOP封装,额定温度范围为–40℃至+85℃,千 片订量报价为1.50/1.20美元/片。

图A.ADP1612/ADP1613功能框图

作者简介
Ken Marasco [ken.marasco@analog.com] 是ADI公司系统应用经理,负责便携式电源产品 的技术支持,在ADI公司便携式应用小组已经 工作了三年。他毕业于NYIT,持有应用物理 专业学士学位,在系统和元件设计方面拥有 35年的丰富经验。
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