| DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器的作用
典型的可穿戴式設(shè)備或便攜式設(shè)備使用了鋰離子電池，標稱輸出為 3.6 伏直流電。大多數(shù)電池供電的應(yīng)用都依賴于一個或多個串聯(lián)的鋰離子電池來提供主供電電壓。雖然這足以滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求，但筆記本電腦、平板電腦和其他移動設(shè)備具有的一些特定功能需要更高的電壓。
這樣的例子包括白光發(fā)光二極管 (LED) 背光驅(qū)動、射頻收發(fā)器、精密模擬電路，以及光接收器中的雪崩光電二極管 (APD) 的偏置電路。升壓 DC-DC 穩(wěn)壓器可將低輸入電壓轉(zhuǎn)換為高輸出電壓，從而滿足這些應(yīng)用需求。
采用以下設(shè)計技巧來優(yōu)化效率
在已經(jīng)討論的一些器件中，制造商已在內(nèi)部固定了一些參數(shù)，但設(shè)計人員通常還要在幾個方面進行取舍，以優(yōu)化轉(zhuǎn)換效率。此外，他們還必須根據(jù)適用的指導準則，慎重地選擇正確的外部元器件。
開關(guān)頻率： 雖然開關(guān)頻率不會直接影響輸出電壓，但它會對電源設(shè)計產(chǎn)生很大影響。一般來說，對于特定應(yīng)用，在開關(guān)頻率更高的情況下，設(shè)計人員能夠使用更小的電感器和電容器。電感器尺寸主要取決于允許的紋波電流大小。對于特定的電感，隨著開關(guān)頻率提高，紋波電流減�。杭俣ㄓ卸喾N器件可選，設(shè)計人員可在較高的開關(guān)頻率和較小的電感器之間達到平衡，同時保持相同大小的紋波電流。
較高的工作頻率可為開關(guān)穩(wěn)壓器提供更大的帶寬，縮短瞬態(tài)響應(yīng)時間。較小的電感器還可減少電源的尺寸和成本。
電感器選擇： 電感器是升壓轉(zhuǎn)換器的一個關(guān)鍵元件：能在電源開關(guān)接通期間存儲能量，并在關(guān)斷期間將存儲的能量通過輸出整流二極管傳輸至輸出。
設(shè)計人員必須在低電感器電流紋波與高效率之間達到平衡。對于給定的物理尺寸，電感較低的電感器會擁有較高的飽和電流和較低的串聯(lián)電阻，但較低電感會導致更高的峰值電流，進而使能效降低，紋波增大和噪聲提高。
在選擇合適的電感器時，電感器的額定飽和電流必須大于電感器峰值電流，電感器的 RMS 額定電流必須大于穩(wěn)壓器的最大直流輸入電流。
大多數(shù)升壓穩(wěn)壓器的規(guī)格書都包括了針對不同負載電流和電壓的建議：我們上文介紹的來自 Microchip 的 MCP1665 的規(guī)格書建議，對于 15 伏以下的輸出電壓，使用 Panasonic Electronic Components 的 ELL-8TP4R7NB 4.7 微亨 (µH) 電感器；對于更高的輸出電壓，使用 Wurth Electronics 的 7447714100 10 µH 電感器。
二極管選擇
在非同步設(shè)計中，應(yīng)該使用正向電壓較低的肖特基二極管來減少損耗。二極管的平均正向額定電流必須等于或高于最大輸出電流。二極管的重復(fù)峰值正向額定電流必須等于或高于電感器峰值電流，二極管的反向擊穿電壓必須高于內(nèi)部電源開關(guān)額定電壓。
例如，MCP1665 帶有 36 伏特的內(nèi)部開關(guān)，能夠提供高達 1 安培的電流。因此，Microchip 建議使用 STMicroelectronics 供應(yīng)的 STPS2L40VU 肖特基二極管，該器件的反向擊穿電壓為 40 伏特，正向電流為 2 安培。
在高溫下，二極管的漏電電流也可能對轉(zhuǎn)換器的工作效率產(chǎn)生重大影響。對于較高的電流和環(huán)境溫度，請使用具有良好熱特性的二極管。
輸入和輸出電容器： 在升壓拓撲中，電感器的作用是消除為穩(wěn)壓器電路供電的電源電路的瞬態(tài)需求，從而減少所需的輸入濾波。X5R 等級的陶瓷電容器通常足以滿足 +85°C 工作溫度的需求，但對于 +125°C 的工作溫度，可能需要低 ESR 的 X7R 電容器。
如果電源的阻抗過高，無法將輸入電壓保持在高負載階躍下的欠壓鎖定閾值之上，則還可能需要其他的電解電容器或鉭電容器。
在負載側(cè)，輸出電容器可減少負載紋波，幫助在負載瞬態(tài)期間提供穩(wěn)定的輸出電壓。建議使用 X7R 陶瓷電容器作為輸出電容器：其他類型的電容器可能具有較高的 ESR，會降低轉(zhuǎn)換器效率。
電容器的 DC 額定值應(yīng)該適當高于最大輸出電壓 VOUT，因為當接近最大電壓時，陶瓷電容器會損失效率。有關(guān)電容器選擇的建議，請查詢規(guī)格書。
升壓穩(wěn)壓器布局注意事項： 升壓穩(wěn)壓器具有高速開關(guān)特征，因此其性能對 PCB 布局非常敏感：寄生電感和電容可能導致高輸出紋波、輸出穩(wěn)壓效果不佳、電磁干擾 (EMI) 過大，甚至因高電壓尖峰而導致故障。
因此，設(shè)計人員應(yīng)對 PCB 布局給予高度關(guān)注，并使用以下技巧：
-
輸出電容器的位置應(yīng)該靠近器件，并使用短而寬的走線進行連接，以最大程度減少可能導致電壓瞬時振蕩和尖峰的寄生電感。多個過孔有助于降低寄生電容。
-
放置輸出電容器之后，將電感器放置在靠近 IC 的位置，以降低產(chǎn)生的電磁干擾。由于 SW 節(jié)點（參見圖 2、3、4）存在電氣噪聲，因此反饋 (FB) 信號和其他敏感走線應(yīng)該遠離此節(jié)點。
-
輸入電容器的接地節(jié)點也應(yīng)該靠近 IC 電源接地引腳，以最大程度減小回路面積。
-
要達到最佳熱性能，布局應(yīng)該包括從器件導熱墊（如適用）一直到地平面的散熱過孔；這樣可以改進散熱，降低熱關(guān)斷的風險。
-
電源接地、信號接地和導熱墊應(yīng)該在單個低阻抗接地點連接在一起。
總結(jié)
升壓穩(wěn)壓器讓我們能夠使用高電壓電路功能，在電池供電的便攜式設(shè)備和可穿戴設(shè)備的設(shè)計中，它扮演著非常重要的角色。但是，設(shè)計人員必須選擇適合所需升壓應(yīng)用的器件，并且注意多種關(guān)鍵設(shè)計權(quán)衡和最佳實踐。
|
