如何設計升壓調壓器

在這一系列的文章中，我們將研究在電子項目中可能使用的主要類(lèi)型的功率調節器和轉換器的設計和實(shí)現。我給了一個(gè)研究生工程師一系列的要求，我指導他演示了每一種類(lèi)型，并在這里記錄了結果，這樣你就可以通過(guò)同樣的練習，希望得到同樣的結果。

對于下一個(gè)開(kāi)關(guān)電源項目，從我的項目想法為學(xué)生工程師文章，要求有點(diǎn)不同。這一次，我的研究生工程師不得不設計一種可以提高電壓的電壓調節器。對于這類(lèi)任務(wù)，可以說(shuō)，最流行的設計選擇是使用DC-DC升壓變換器。

我對這個(gè)設計的要求是：

• 輸入電壓1.0~3.5V

• 輸出電壓5.0 V

• 輸出電流100mA

你會(huì )看到，DC-DC升壓轉換器的拓撲結構與buck變換器不同，而且大多數情況下，它們與電池供電的設備一起使用。大多數情況下，電池所能提供的電壓不足以為大多數集成電路供電，因此需要提高電壓。

一個(gè)最常見(jiàn)的例子是當你需要使用一個(gè)或兩個(gè)非常常見(jiàn)的AA，AAA大小的電池，或者可能是單電池鋰離子或鋰聚合物電池。通常，您設計的集成電路需要5伏直流電源才能正常工作。一個(gè)簡(jiǎn)單的齊納二極管或串聯(lián)或并聯(lián)線(xiàn)性穩壓器將能夠做到這一點(diǎn)。

開(kāi)關(guān)升壓電源的目的是當設備由單個(gè)AA、AAA、AAAA、B、C或D尺寸的電池或兩個(gè)這樣的電池串聯(lián)供電時(shí)，能夠提供5v的輸出電壓。這些電池通常每個(gè)電池提供1.5伏電壓，當兩個(gè)電池串聯(lián)時(shí)提供3伏電壓。由這種電池供電的設備不會(huì )使用大量的電流，因此具有100毫安的輸出電流能力應該足以滿(mǎn)足大多數典型應用。

一個(gè)DC-DC升壓調節器IC是我的研究生工程師在我的監督下精心挑選的。所選DC-DC升壓調節器IC為模擬器件LTC3429。

LTCDC-3429升壓調節器

LTC3429組件是一種高效率的500kHz可調輸出電壓升壓轉換器。該變換器規定的工作輸入電壓范圍為0.5V～4.4V，與設計規定的輸入電壓相匹配。該調節器的輸出電壓可從2.5伏調節到4.3伏。然而，如果增加一個(gè)肖特基二極管，輸出電壓可以增加到5v。

選擇這種特殊的升壓調節器是因為它對指定的輸出電流（高達96%）具有很高的效率。但缺點(diǎn)是，這種調節器可能相當昂貴，訂購少量產(chǎn)品時(shí)單價(jià)只有幾美元。這種調節器也可以從Farnell、Mouser、Arrow等公司獲得，大部分的模擬器件集成電路價(jià)格都比較高；然而，他們的產(chǎn)品質(zhì)量很高，我相信這使投資是值得的。

此外，您還將看到該調節器具有有用的附加功能，例如：

1. 低壓?jiǎn)?dòng)-此調節器可在電源電壓低至0.85 V時(shí)開(kāi)啟。這意味著(zhù)，如果電源電池放電至低于0.85 V，則該調節器有可能無(wú)法啟動(dòng)。然而，我們的設計要求最小輸入電壓為1V，這已經(jīng)足夠了。

2. 軟啟動(dòng)-此功能可防止調節器在電源（電池）連接到設備時(shí)開(kāi)啟輸出電壓2.5毫秒。這種軟啟動(dòng)功能允許調節器的振蕩器在開(kāi)始作為開(kāi)關(guān)電源工作之前穩定在正確的頻率。

3. 防振鈴控制-此功能可防止SW引腳發(fā)生高頻振鈴，從而將調節器產(chǎn)生的EMI降至最低。

4. 短路保護-此功能允許電路短路而不損壞調節器。它立即以關(guān)閉集成電路的方式對內部電容放電，從而保護調節器和電路。

你會(huì )看到，原理圖的設計不像大電流DC-DC buck控制器那樣具有挑戰性，它能夠輸出6 A。這種設計是針對低電流電池供電的應用，因此元件選擇沒(méi)有那么嚴格。您可以從下面的數據表中看到電路設計建議：

DC-DC升壓變換器LTC3429方案設計

大多數的設計決策都是直接從原理圖中做出的。

作為第一步，使用數據表中提供的以下公式計算輸出電壓反饋電阻器：

選擇高電阻值以確保輕負載下的良好效率。

反饋電阻值與效率的關(guān)系

值為255 k? 選擇R2，然后使用下面的公式計算R1電阻的值。

由于這不是一個(gè)標準的分量值，一個(gè)更典型的768K? 選擇R1電阻的值。

輸出電壓反饋電阻器

在本設計中，輸入和輸出電容選擇的可變性較大。由于輸入和輸出的電流都不高，電容器的最大電流值并不重要。

應使用低電阻多層陶瓷電容器以減小輸出紋波。建議使用標記為X5R或X7R的電容器。對于大多數應用，輸出電容值在4.7 uF到15 uF之間就足夠了。選擇了電容值為22 uF的輸出電容器，因為它是提供極低輸出電壓紋波和改善瞬態(tài)響應的推薦值。

對于輸入電容器的選擇，還需要一個(gè)低ESR電容器，以最小化任何輸入開(kāi)關(guān)噪聲，并減少從電池消耗的峰值電流。由于這種電池以其低噪音而聞名，一個(gè)10毫伏的電容器幾乎可以滿(mǎn)足任何應用。

請記住，輸入電容器的直流電壓額定值可以低至4V或6.3V，因為輸入電壓相對較低。但是，建議輸出電容器使用至少兩倍的直流電壓額定值。陶瓷電容器具有直流偏壓效應，在特定電壓下可以顯著(zhù)降低電容。

使用數據表中提供的下圖獲取電感器值：

基于90%效率的最大輸出電流與電感

我們選擇了一個(gè)相當高的電感為22uh的電感器，因為我們想在所需的輸出電流下保持調節器的效率。

選擇的電感器是TDK通用電感器，SLF7032T-220MR96-2PF元件，能夠處理所需的輸出電流，即使是小批量購買(mǎi)，成本也很低。

至于肖特基二極管，它需要產(chǎn)生所需的5V輸出電壓，選擇了數據表建議中確定的半導體上的MBR0520L元件。這種二極管沒(méi)那么貴，幾美分就能買(mǎi)到。

反向關(guān)機引腳（SHDN）必須拉到VIN，因為我們沒(méi)有任何外部控制器或管理IC來(lái)控制調節器。我們希望它能工作時(shí)，任何電源在可接受的輸入電壓范圍內被應用。

選擇的連接器是伍爾特公司0022722021。這些都是便宜的和相當實(shí)用的，因為你不能把它們錯誤地連接起來(lái)。

Wurth Electronik 002272021連接器

但是，您可以選擇任何您喜歡的連接器。作為設備設計的一部分，你可以使用這些電池插座，這意味著(zhù)你的電池已經(jīng)串聯(lián)起來(lái)了。有1個(gè)，2個(gè)，3個(gè)或4個(gè)電池的插座（如果需要的話(huà)，甚至更多），每個(gè)插座都要幾美分。

電池插座示例

下面您可以看到完全設計的LTC3429升壓轉換器原理圖。

LTC3429升壓轉換器原理圖。

至于PCB設計，目標是實(shí)現盡可能短的電流回路。參考數據表提供的以下設計：

數據表中的PCB布局

首先，元件放置是為了確保緊湊的PCB設計，并實(shí)現較小的電路板面積，因為這是針對低電流應用的。

PCB元件放置

作為第二步，PCB被手動(dòng)布線(xiàn)以仔細跟蹤電流回路。這有助于您了解當前環(huán)路的設計是否可以改進(jìn)：

PCB手動(dòng)布線(xiàn)

第三步，將多邊形和平面添加到設計中：

添加多邊形的PCB頂層設計

添加多邊形的PCB設計底層

PCB設計上顯示的輸入和輸出電流回路：

最后，完成的緊湊型DC-DC升壓變換器的三維設計：

在這些電子設計課程中，升壓轉換器的設計是一個(gè)新的步驟。許多設備，特別是便攜式和電池供電的設備，使用升壓轉換器將電源電壓提高到集成電路供電所需的水平。大多數集成電路在僅提供1.5V或3V電壓時(shí)無(wú)法維持其工作。

乍一看，這似乎是一個(gè)相對簡(jiǎn)單的設計，但仍有一些因素需要設計師考慮。市場(chǎng)給了設計師從成千上萬(wàn)個(gè)不同的升壓轉換器中選擇的能力，所以選擇正確的一個(gè)可能并不容易。

如您所見(jiàn)，boost變換器的拓撲結構也與buck變換器有很大的不同。PCB的設計也會(huì )有所不同。然而，從根本上考慮是相同的；設計者需要盡量使輸入和輸出電流回路盡可能短，以減少電源輻射的電磁干擾。

由于有更多不同的開(kāi)關(guān)調節器拓撲可能，這一個(gè)將是下一步的電源設計。