智能手機(jī)、GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)和平板電腦等便攜式電子設(shè)備的電源可能來(lái)自低壓太陽(yáng)能電池板、電池或交流到直流電源。電池供電系統(tǒng)通常串聯(lián)堆疊電池以實(shí)現(xiàn)更高的電壓，但由于空間不足，這并不總是可行的。開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器利用電感的磁場(chǎng)交替存儲(chǔ)能量，并以不同的電壓將其釋放到負(fù)載。損耗低，是高效率的不錯(cuò)選擇。連接到轉(zhuǎn)換器輸出的電容器可降低輸出電壓紋波。此處介紹的升壓或升壓轉(zhuǎn)換器提供更高的電壓;降壓或降壓轉(zhuǎn)換器 — 在上一篇文章中介紹1—提供更低的輸出電壓。包含內(nèi)部FET作為開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器稱為開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，2而需要外部 FET 的器件稱為開(kāi)關(guān)控制器。
圖1所示為由兩節(jié)串聯(lián)AA電池供電的典型低功耗系統(tǒng)。電池的可用輸出范圍約為1.8 V至3.4 V，而IC需要1.8 V和5.0 V才能工作。升壓轉(zhuǎn)換器可以在不增加電池?cái)?shù)量的情況下升壓，為 WLED 背光、微型硬盤驅(qū)動(dòng)器、音頻和 USB 外設(shè)供電，而降壓轉(zhuǎn)換器則為微處理器、存儲(chǔ)器和顯示器供電。
圖1.典型的低功耗便攜式系統(tǒng)。
電感器具有抵抗電流變化的傾向，因此可實(shí)現(xiàn)升壓功能。充電時(shí)，電感器充當(dāng)負(fù)載并存儲(chǔ)能量;放電時(shí)，它充當(dāng)能量源。放電階段產(chǎn)生的電壓與電流的變化率有關(guān)，而不是與原始充電電壓有關(guān)，因此允許不同的輸入和輸出電壓電平。
升壓穩(wěn)壓器由兩個(gè)開(kāi)關(guān)、兩個(gè)電容和一個(gè)電感組成，如圖2所示。非重疊開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器可確保一次只有一個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，以避免不必要的擊穿電流。在第 1 階段（t上），開(kāi)關(guān) B 打開(kāi)，開(kāi)關(guān) A 關(guān)閉。電感接地，因此電流從V流出在接地。由于電感兩端的正電壓，電流增加，能量存儲(chǔ)在電感中。在第 2 階段 （t關(guān)閉），開(kāi)關(guān) A 打開(kāi)，開(kāi)關(guān) B 關(guān)閉。電感器連接到負(fù)載，因此電流從V流出在到負(fù)載。由于電感兩端的負(fù)電壓，電流減小，存儲(chǔ)在電感中的能量被釋放到負(fù)載中。
圖2.降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浜凸ぷ鞑ㄐ巍?/font>
請(qǐng)注意，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器操作可以是連續(xù)的，也可以是不連續(xù)的。在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下工作時(shí)，電感電流永遠(yuǎn)不會(huì)降至零;在非連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）下工作時(shí)，電感電流可能降至零。電流紋波，顯示為 Δ我L在圖2中，使用Δ我L = (V在× 噸上)/L. 平均電感電流流入負(fù)載，而紋波電流流入輸出電容。
圖3.升壓穩(wěn)壓器集成了振蕩器、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的穩(wěn)壓器被定義為異步（或異步），而使用FET作為開(kāi)關(guān)B的穩(wěn)壓器被定義為同步。在圖3中，開(kāi)關(guān)A和B分別采用內(nèi)部NFET和外部肖特基二極管實(shí)現(xiàn)，以創(chuàng)建異步升壓穩(wěn)壓器。對(duì)于需要負(fù)載隔離和低關(guān)斷電流的低功耗應(yīng)用，可以添加外部FET，如圖4所示。將器件的EN引腳驅(qū)動(dòng)至0.3 V以下可關(guān)斷穩(wěn)壓器，并完全斷開(kāi)輸入與輸出的連接。
圖4.ADP1612/ADP1613典型應(yīng)用電路。
現(xiàn)代低功耗同步降壓穩(wěn)壓器使用脈寬調(diào)制（PWM）作為主要工作模式。PWM保持頻率恒定并改變脈沖寬度（t上） 來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。提供的平均功率與占空比D成正比，使其成為為負(fù)載供電的有效方式。
例如，對(duì)于 15 V 的所需輸出電壓和 5 V 的可用輸入電壓，
D = （15 – 5）/15 = 0.67 或 67%。
能量是守恒的，因此輸入功率必須等于輸送到負(fù)載的功率減去任何損耗。假設(shè)轉(zhuǎn)換非常有效，則基本功率計(jì)算中可以省略少量的功率損耗。因此，輸入電流可以近似為
例如，如果負(fù)載電流在15 V時(shí)為300 mA，我在5 V 時(shí) = 900 mA—輸出電流的三倍。因此，可用負(fù)載電流隨著升壓電壓的增加而減小。
升壓轉(zhuǎn)換器使用電壓或電流反饋來(lái)調(diào)節(jié)所選輸出電壓;控制環(huán)路使輸出能夠保持調(diào)節(jié)以響應(yīng)負(fù)載變化。低功耗升壓穩(wěn)壓器的工作頻率通常在600 kHz至2 MHz之間。較高的開(kāi)關(guān)頻率允許使用更小的電感器，但開(kāi)關(guān)頻率每增加一倍，效率就會(huì)下降約2%。在ADP1612和ADP1613升壓轉(zhuǎn)換器（見(jiàn)附錄）中，開(kāi)關(guān)頻率可通過(guò)引腳選擇，工作頻率為650 kHz以實(shí)現(xiàn)最高效率，工作頻率為1.3 MHz以實(shí)現(xiàn)最小的外部元件。將 FREQ 連接到 GND 以實(shí)現(xiàn) 650kHz 操作，或連接到 VIN 以實(shí)現(xiàn) 1.3-MHz 操作。
電感器是升壓穩(wěn)壓器的關(guān)鍵元件，在電源開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間存儲(chǔ)能量，并在關(guān)斷期間通過(guò)輸出整流器將該能量傳輸?shù)捷敵龆�。為了平衡低電感電流紋波和高效率之間的權(quán)衡，ADP1612/ADP1613數(shù)據(jù)手冊(cè)建議電感值在4.7 μH至22 μH范圍內(nèi)。通常，對(duì)于給定的物理尺寸，較低值的電感具有較高的飽和電流和較低的串聯(lián)電阻，但較低的電感會(huì)導(dǎo)致較高的峰值電流，從而導(dǎo)致效率降低、紋波增加和噪聲增加。通常最好在不連續(xù)導(dǎo)通模式下運(yùn)行升壓，以減小電感尺寸并提高穩(wěn)定性。峰值電感電流（最大輸入電流加上電感紋波電流的一半）必須低于電感的額定飽和電流;穩(wěn)壓器的最大直流輸入電流必須小于電感的均方根額定電流。
主要升壓穩(wěn)壓器規(guī)格和定義
輸入電壓范圍：升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍決定了最低可用輸入電源電壓。規(guī)格可能顯示較寬的輸入電壓范圍，但輸入電壓必須低于V外實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。
接地或靜態(tài)電流：未輸送到負(fù)載的直流偏置電流（我q).越低我q效率越好，但是我q可在多種條件下指定，包括關(guān)斷、零負(fù)載、PFM 操作或 PWM 操作，因此最好查看特定工作電壓和負(fù)載電流下的運(yùn)行效率，以確定適合應(yīng)用的最佳升壓穩(wěn)壓器。
關(guān)斷電流：使能引腳設(shè)置為關(guān)斷時(shí)消耗的輸入電流。 低我q對(duì)于電池供電設(shè)備處于睡眠模式時(shí)的長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間非常重要。
開(kāi)關(guān)占空比：工作占空比必須低于最大占空比，否則輸出電壓將無(wú)法調(diào)節(jié)。例如，D = （V外– V在)/V外.跟V在= 5 V 和V外= 15 V， D = 67%。ADP1612和ADP1613的最大占空比為90%。
輸出電壓范圍：設(shè)備將支持的輸出電壓范圍。升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓可以是固定的，也可以是可調(diào)的，使用電阻器來(lái)設(shè)置所需的輸出電壓。
電流限制：升壓轉(zhuǎn)換器通常指定峰值電流限制，而不是負(fù)載電流。請(qǐng)注意，兩者之間的差異越大V在和V外，可用負(fù)載電流越低。峰值電流限值、輸入電壓、輸出電壓、開(kāi)關(guān)頻率和電感值都設(shè)置了最大可用輸出電流。
線路調(diào)整率：線路調(diào)整率是由輸入電壓的變化引起的輸出電壓變化。
負(fù)載調(diào)整率：負(fù)載調(diào)整率是輸出電壓隨著輸出電流的變化而變化。
軟啟動(dòng)：升壓穩(wěn)壓器必須具有軟啟動(dòng)功能，該功能在啟動(dòng)時(shí)以受控方式斜坡上升輸出電壓，以防止啟動(dòng)時(shí)輸出電壓過(guò)沖。某些升壓轉(zhuǎn)換器的軟啟動(dòng)可通過(guò)外部電容器進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)軟啟動(dòng)電容器充電時(shí)，它會(huì)限制器件允許的峰值電流。通過(guò)可調(diào)軟啟動(dòng)，可以改變啟動(dòng)時(shí)間以滿足系統(tǒng)要求。
熱關(guān)斷 （TSD）：如果結(jié)溫升至指定限值以上，熱關(guān)斷電路將關(guān)閉穩(wěn)壓器。持續(xù)的高結(jié)溫可能是高電流操作、電路板冷卻不良或環(huán)境溫度高的結(jié)果。保護(hù)電路包括遲滯，因此在熱關(guān)斷發(fā)生后片內(nèi)溫度降至預(yù)設(shè)限值以下之前，器件不會(huì)恢復(fù)正常工作狀態(tài)。
欠壓鎖定（UVLO）：如果輸入電壓低于UVLO閾值，IC自動(dòng)關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)并進(jìn)入低功耗模式。這可以防止在低輸入電壓下潛在的不穩(wěn)定工作，并防止功率器件在電路無(wú)法控制時(shí)導(dǎo)通。
結(jié)論
低功耗升壓穩(wěn)壓器通過(guò)提供經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)，消除了開(kāi)關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的后顧之憂。設(shè)計(jì)計(jì)算可在數(shù)據(jù)手冊(cè)的應(yīng)用部分和ADIsimPower中找到。4設(shè)計(jì)工具簡(jiǎn)化了最終用戶的任務(wù)。 |
