如何成功应用DC－DC升压稳压器
发布日期:2023-02-03
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智能手机、GPS 导航系统和平板电脑等便携式电子设备的电源可能来自低压太阳能电池板、电池或交流到直流电源。电池供电系统通常串联堆叠电池以实现更高的电压，但由于空间不足，这并不总是可行的。开关转换器利用电感的磁场交替存储能量，并以不同的电压将其释放到负载。损耗低，是高效率的不错选择。连接到转换器输出的电容器可降低输出电压纹波。此处介绍的升压或升压转换器提供更高的电压;降压或降压转换器 — 在上一篇文章中介绍1—提供更低的输出电压。包含内部FET作为开关的开关转换器称为开关稳压器，2而需要外部 FET 的器件称为开关控制器。
图1所示为由两节串联AA电池供电的典型低功耗系统。电池的可用输出范围约为1.8 V至3.4 V，而IC需要1.8 V和5.0 V才能工作。升压转换器可以在不增加电池数量的情况下升压，为 WLED 背光、微型硬盘驱动器、音频和 USB 外设供电，而降压转换器则为微处理器、存储器和显示器供电。
l图1.典型的低功耗便携式系统。
电感器具有抵抗电流变化的倾向，因此可实现升压功能。充电时，电感器充当负载并存储能量;放电时，它充当能量源。放电阶段产生的电压与电流的变化率有关，而不是与原始充电电压有关，因此允许不同的输入和输出电压电平。
升压稳压器由两个开关、两个电容和一个电感组成，如图2所示。非重叠开关驱动器可确保一次只有一个开关导通，以避免不必要的击穿电流。在第 1 阶段（t上），开关 B 打开，开关 A 关闭。电感接地，因此电流从V流出在接地。由于电感两端的正电压，电流增加，能量存储在电感中。在第 2 阶段 （t关闭），开关 A 打开，开关 B 关闭。电感器连接到负载，因此电流从V流出在到负载。由于电感两端的负电压，电流减小，存储在电感中的能量被释放到负载中。
图2.降压转换器拓扑和工作波形。
请注意，开关稳压器操作可以是连续的，也可以是不连续的。在连续导通模式（CCM）下工作时，电感电流永远不会降至零;在非连续导通模式（DCM）下工作时，电感电流可能降至零。电流纹波，显示为 Δ我L在图2中，使用Δ我L = (V在× 吨上)/L. 平均电感电流流入负载，而纹波电流流入输出电容。
图3.升压稳压器集成了振荡器、PWM 控制环路和开关 FET。
使用肖特基二极管代替开关B的稳压器被定义为异步（或异步），而使用FET作为开关B的稳压器被定义为同步。在图3中，开关A和B分别采用内部NFET和外部肖特基二极管实现，以创建异步升压稳压器。对于需要负载隔离和低关断电流的低功耗应用，可以添加外部FET，如图4所示。将器件的EN引脚驱动至0.3 V以下可关断稳压器，并完全断开输入与输出的连接。
图4.ADP1612/ADP1613典型应用电路。
现代低功耗同步降压稳压器使用脉宽调制（PWM）作为主要工作模式。PWM保持频率恒定并改变脉冲宽度（t上） 来调节输出电压。提供的平均功率与占空比D成正比，使其成为为负载供电的有效方式。
例如，对于 15 V 的所需输出电压和 5 V 的可用输入电压，
D = （15 – 5）/15 = 0.67 或 67%。
能量是守恒的，因此输入功率必须等于输送到负载的功率减去任何损耗。假设转换非常
例如，如果负载电流在15 V时为300 mA，我在5 V 时 = 900 mA—输出电流的三倍。因此，可用负载电流随着升压电压的增加而减小。
升压转换器使用电压或电流反馈来调节所选输出电压;控制环路使输出能够保持调节以响应负载变化。低功耗升压稳压器的工作频率通常在600 kHz至2 MHz之间。较高的开关频率允许使用更小的电感器，但开关频率每增加一倍，效率就会下降约2%。在ADP1612和ADP1613升压转换器（见附录）中，开关频率可通过引脚选择，工作频率为650 kHz以实现最高效率，工作频率为1.3 MHz以实现最小的外部元件。将 FREQ 连接到 GND 以实现 650kHz 操作，或连接到 VIN 以实现 1.3-MHz 操作。
电感器是升压稳压器的关键元件，在电源开关导通期间存储能量，并在关断期间通过输出整流器将该能量传输到输出端。为了平衡低电感电流纹波和高效率之间的权衡，ADP1612/ADP1613数据手册建议电感值在4.7 μH至22 μH范围内。通常，对于给定的物理尺寸，较低值的电感具有较高的饱和电流和较低的串联电阻，但较低的电感会导致较高的峰值电流，从而导致效率降低、纹波增加和噪声增加。通常最好在不连续导通模式下运行升压，以减小电感尺寸并提高稳定性。峰值电感电流（最大输入电流加上电感纹波电流的一半）必须低于电感的额定饱和电流;稳压器的最大直流输入电流必须小于电感的均方根额定电流。
主要升压稳压器规格和定义
输入电压范围：升压转换器的输入电压范围决定了最低可用输入电源电压。规格可能显示较宽的输入电压范围，但输入电压必须低于V外实现高效运行。
接地或静态电流：未输送到负载的直流偏置电流（我q).越低我q效率越好，但是我q可在多种条件下指定，包括关断、零负载、PFM 操作或 PWM 操作，因此最好查看特定工作电压和负载电流下的运行效率，以确定适合应用的最佳升压稳压器。
关断电流：使能引脚设置为关断时消耗的输入电流。 低我q对于电池供电设备处于睡眠模式时的长待机时间非常重要。
开关占空比：工作占空比必须低于最大占空比，否则输出电压将无法调节。例如，D = （V外– V在)/V外.跟V在= 5 V 和V外= 15 V， D = 67%。ADP1612和ADP1613的最大占空比为90%。
输出电压范围：设备将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，也可以是可调的，使用电阻器来设置所需的输出电压。
电流限制：升压转换器通常指定峰值电流限制，而不是负载电流。请注意，两者之间的差异越大V在和V外，可用负载电流越低。峰值电流限值、输入电压、输出电压、开关频率和电感值都设置了最大可用输出电流。
线路调整率：线路调整率是由输入电压的变化引起的输出电压变化。
负载调整率：负载调整率是输出电压随着输出电流的变化而变化。
软启动：升压稳压器必须具有软启动功能，该功能在启动时以受控方式斜坡上升输出电压，以防止启动时输出电压过冲。某些升压转换器的软启动可通过外部电容器进行调节。当软启动电容器充电时，它会限制器件允许的峰值电流。通过可调软启动，可以改变启动时间以满足系统要求。
热关断 （TSD）：如果结温升至指定限值以上，热关断电路将关闭稳压器。持续的高结温可能是高电流操作、电路板冷却不良或环境温度高的结果。保护电路包括迟滞，因此在热关断发生后片内温度降至预设限值以下之前，器件不会恢复正常工作状态。
欠压锁定（UVLO）：如果输入电压低于UVLO阈值，IC自动关闭电源开关并进入低功耗模式。这可以防止在低输入电压下潜在的不稳定工作，并防止功率器件在电路无法控制时导通。
结论
低功耗升压稳压器通过提供经过验证的设计，消除了开关DC-DC转换器设计的后顾之忧。设计计算可在数据手册的应用部分和ADIsimPower中找到。4设计工具简化了最终用户的任务。
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