高效率DC-DC轉換器三項基本技術(shù)

DC-DC 開(kāi)關(guān)轉換器的作用是將一個(gè)直流電壓有效轉換成另一個(gè)。高效率DC-DC轉換器采用三項基本技術(shù)：降壓、升壓，以及降壓/升壓。降壓轉換器用于產(chǎn)生低直流輸出電壓，升壓轉換器用于產(chǎn)生高直流輸出電壓，降壓/升壓轉換器則用于產(chǎn)生小于、大于或等于輸入電壓的輸出電壓。本文將重點(diǎn)介紹如何成功應用降壓/升壓DC-DC轉換器。

　　圖1所示為采用單個(gè)單元的鋰離子電池供電的典型低功耗系統。電池的可用輸出范圍為放電時(shí)的約3.0 V到充滿(mǎn)電時(shí)的4.2 V。系統IC需要1.8 V、3.3 V、和3.6 V的電壓，以實(shí)現最佳工作狀態(tài)。鋰離子電池開(kāi)始工作時(shí)的電壓為4.2 V，結束工作時(shí)的電壓為3.0 V，在此過(guò)程中，降壓/升壓調節器可以提供3.3 V的恒定電壓，而降壓調節器或低壓差調節器（LDO）則可在電池放電時(shí)提供1.8 V的電壓。理論上，當電池電壓高于3.5 V時(shí)，可使用降壓調節器或LDO產(chǎn)生3.3 V電壓，但當電池電壓降至3.5 V以下時(shí)，系統就會(huì )停止工作。允許系統過(guò)早關(guān)閉會(huì )減少電池需要重新充電前的系統工作時(shí)間。

　　圖1. 典型低功耗便攜式系統

降壓/升壓調節器內置四個(gè)開(kāi)關(guān)、兩個(gè)電容和一個(gè)電感，如圖2所示。如今的低功耗、高效率降壓/升壓調節器在降壓或升壓模式下工作時(shí)，只要主動(dòng)操作其中兩個(gè)開(kāi)關(guān)，就可以降低損耗，提高效率。

　　圖2. 降壓/升壓轉換器拓撲結構

　　當VIN大于 VOUT， 時(shí)，開(kāi)關(guān)C斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)D閉合。開(kāi)關(guān)A和B的工作方式和在標準降壓調節器中一樣，如圖3所示。

　　圖3.Buck mode when VIN 》 VOUT時(shí)的降壓模式

　　當 VIN小于VOUT，時(shí)，開(kāi)關(guān)B斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)A閉合。開(kāi)關(guān)C和D的工作方式和在升壓調節器中一樣，如圖4所示。最困難的工作模式是當VIN 處在VOUT ± 10%， 范圍內時(shí)，此時(shí)調節器會(huì )進(jìn)入降壓/升壓 模式。在降壓/升壓模式下，兩種操作（降壓和升壓）會(huì )在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內發(fā)生。應特別注意降低損耗、優(yōu)化效率，以及消除由于模式切換造成的不穩定性。這么做的目標是保持電壓穩定，使電感中的電流紋波降至最低，保證良好的瞬態(tài)性能。

　　圖4.BoostVIN

　　對于高負載電流，降壓/升壓調節器采用電流模式、固定頻率、脈沖寬度調制 （PWM）控制，以獲得出色的穩定性和瞬態(tài)響應。為確保便攜式應用的電池壽命最長(cháng)，還采用了省電模式，在輕載時(shí)可降低開(kāi)關(guān)頻率。對于無(wú)線(xiàn)應用和其它低噪聲應用，可變頻率省電模式可能會(huì )引起干擾，通過(guò)增加邏輯控制輸入，可強制轉換器在所有負載條件下均以固定頻率PWM方式工作。