電池供電系統中DC-DC升壓調節器的應用

注意，開(kāi)關(guān)調節器既可以連續工作，也可以斷續工作以連續導通模式 （CCM）， 工作時(shí)，電感電流不會(huì )降至0;以斷續導通模式 （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.計算。平均電感電流流入負載，而紋波電流流入輸出電容。

圖3.升壓調節器集成振蕩器、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的調節器定義為異步 （或非同步）， 調節器，而使用FET作為開(kāi)關(guān)B的調節器定義為同步調節器。 圖3中，開(kāi)關(guān)A和B已分別使用內部NFET和外部肖特基二極管來(lái)實(shí)施，從而形成異步升壓調節器。對于需要負載隔離和低關(guān)斷電流的低功耗應用，可添加外部FET,如圖4所示。將器件的EN引腳驅動(dòng)至0.3 V以下便可關(guān)斷調節器，使輸入與輸出完全斷開(kāi)。

圖4.ADP1612/ADP1613典型應用電路

　　現代低功耗同步降壓調節器以脈寬調制（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，因此這是一種向負載提供功率的有效方式

　　例如，所需輸出電壓為15 V,可用輸入電壓為5 V時(shí)：

　　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載的功率減去所有損耗。假定轉換十分有效，則少量的功率損失可在基本功耗計算中省略不計。因此輸入電流可近似表示為：

　　例如，如果負載電流在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，可用負載電流隨著(zhù)升壓電壓增大而降低。

　　升壓轉換器使用電壓或電流反饋來(lái)調節選定的輸出電壓；控制環(huán)路則可根據負載變化保持輸出調節。低功耗升壓轉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A(yíng)DP1612 和ADP1613升壓轉換器（參見(jiàn)附錄）中，開(kāi)關(guān)頻率可通過(guò)引腳選擇，最高效率下的工作頻率為650 kHz,最小外部器件的工作頻率為1.3 MHz.對于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.

　　電感是升壓調節器的關(guān)鍵器件，它在電源開(kāi)關(guān)導通期間存儲電能，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 數據手冊建議電感值范圍為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，而較低的電感導致較高的峰值電流，可降低效率并增加紋波和噪聲。通常最好在斷續導通模式下執行升壓，以便縮小電感尺寸并改善穩定性。峰值電感電流（最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；而調節器的最大直流輸入電流必須小于電感的電流有效值額定值。

　　升壓調節器主要規格和定義

　　輸入電壓范圍：升壓轉換器的輸入電壓范圍決定了最低的可用輸入電源。規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)現高效率工作。

　　地電流或靜態(tài)電流：未輸送給負載的直流偏置電流（Iq）。 Iq越低則效率越高，然而， Iq 可以針對許多條件進(jìn)行規定，包括關(guān)斷、零負載、PFM工作模式或PWM工作模式。因此，為了確定某個(gè)應用的最佳升壓調節器，最好查看特定工作電壓和負載電流下的實(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對于電池供電器件在休眠模式下能否長(cháng)時(shí)間待機很重要。

　　開(kāi)關(guān)占空比：工作占空比必須小于最大占空比，否則輸出電壓無(wú)法調節。例如， D = （VOUT – VIN）/VOUT. 時(shí)VIN= 5 V and VOUT = 15 V, D = 67%. ADP1612和ADP1613的最大占空比為90%.

　　輸出電壓范圍： 即器件可支持的輸出電壓范圍。升壓轉換器的輸出電壓可以是固定的，或者可利用電阻設定所需的輸出電壓來(lái)調節。

　　限流：升壓轉換器通常指定峰值電流限值而不是負載電流。請注意VIN and VOUT間的差異越大，可用負載電流越低。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 )決定最大可用輸出電流。

　　線(xiàn)路調整率： 線(xiàn)路調整率是指輸出電壓隨輸入電壓變化而發(fā)生的變化率。

　　負載調整率： 負載調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)出現輸出電壓過(guò)沖現象。某些升壓轉換器的軟啟動(dòng)可通過(guò)外部電容調節。隨著(zhù)軟啟動(dòng)電容充電，它會(huì )限制器件允許的峰值電流。憑借可調軟啟動(dòng)功能可改變啟動(dòng)時(shí)間以滿(mǎn)足系統要求。

　　熱關(guān)斷（TSD）：當結點(diǎn)溫度超過(guò)規定的限值時(shí)，熱關(guān)斷電路就會(huì )關(guān)閉調節器。一直較高的結溫可能由工作電流高、電路板冷卻不佳或環(huán)境溫度高等原因引起。保護電路包括遲滯，以防止發(fā)生熱關(guān)斷后，器件在片內溫度降至預設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)生的工作不穩定現象，并防止電源器件在電路無(wú)法控制它時(shí)啟動(dòng)。

　　結束語(yǔ)

　　低功耗升壓調節器通過(guò)提供成熟計使開(kāi)關(guān)的設DC-DC轉換器設設計變得簡(jiǎn)單。