DC-DC升压调节器在低功耗便携式系统的应用
发布日期:2022-04-07
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便携式电子器件（如智能手机、GPS导航系统和平板电脑）的电 源可以来自低压太阳能电池板、电池或AC-DC电源。电池供电系 统通常将电池串联叠置以实现更高的电压，但此技术由于空间不 足未必总是可行。开关转换器使用电感磁场来交替存储电能，并以不同电压释放至负载。因为损耗很低，所以是个不错的高效选 择。连接至转换器输出端的电容可降低输出电压纹波。本文所讨论的升压， 转换器提供较高电压；而前一篇文章1所讨论的降压转换器提供较低输出电压。内置FET作为开关的开关转换器称为开关调节器，2 需要外部FET的开关转换器则称为开关控制器.3
图1显示采用两节串联的AA电池供电的典型低功耗系统。电 可用输出范围约为1.8 V至3.4 V，而IC工作时需要1.8 V和5.0 V 电压。升压转换器可在不增加电池单元数量的情况下提升电 压，从而为WLED背光、微型硬盘驱动器、音频设备和USB外 设供电，而降压转换器可为、内存和显示器供电。
图1.典型低功耗便携式系统
电感阻碍电流变化的倾向可提供升压功能。充电时，电感用作 负载并存储电能；放电时，可用作电源。放电过程中产生的电 压与电流变化速率相关，与原始充电电压无关，因此可提供不 同的输入和输出电平。
升压调节器包括两个开关、两个电容和一个电感，如图2所示。 非交叠开关驱动机制确保任一时间只有一个开关导通，避免发 生不良的直通电流。在第1阶段（tON），开关B断开，开关A闭合。 ON电感连接到地，因此电流从VIN流到地。由于电感端为正电压，因此电流增大，使电能存储于电感中。在第2阶段（tOFF）， 开关A断开，开关B闭合。电感连接到负载，因此电流从VIN流到负载。由于电感端为负电压，因此电流减小，电感中存储的能量 释放到负载中。
图2.降压转换器拓扑结构和工作波形
注意，开关调节器既可以连续工作，也可以断续工作以连续导通模式 （CCM）， 工作时，电感电流不会降至0；以断续导通模式 （DCM）， 工作时，电感电流可以降至0。 电流纹波，在图2中显示为ΔIL 使用公式ΔIL = （VIN ? tON）/L.计算。平均电感电流流入负载，而纹波电流流入输出电容。
图3.升压调节器集成振荡器、PWM控制环路和开关FET
使用肖特基二极管代替开关B的调节器定义为异步 （或非同步）， 调节器，而使用FET作为开关B的调节器定义为同步调节器。 图3中，开关A和B已分别使用内部NFET和外部肖特基二极管 来实施，从而形成异步升压调节器。对于需要负载隔离和低关 断电流的低功耗应用，可添加外部FET，如图4所示。将器件 的EN引脚驱动至0.3 V以下便可关断调节器，使输入与输出完 全断开。
图4.ADP1612/ADP1613典型应用电路
现代低功耗同步降压调节器以脉宽调制（PWM）为主要工作模式。PWM保持频率不变，通过改变脉冲宽度（tON）来调整输出电压。输送的平均功率与占空 D成正比，因此这是一种向负载 提供功率的有效方式
D=（15-5）/15=0.67 or 67%.
由于功耗降低，输入功率必须等于传递至负载的功率减去所有 损耗。假定转换十分有效，则少量的功率损失可在基本功耗计 算中省略不计。因此输入电流可近似表示为：
例如，如果负载电流在15 V时为300 mA，则5 V时IIN = 900 mA at 5 V—即输出电流的三倍。因此，可用负载电流随着升压电压增大而 降低。
升压转换器使用电压或电流反馈来调节选定的输出电压；控制 环路则可根据负载变化保持输出调节。低功耗升压转换器的工 作频率范围一般是600 kHz到2 MHz。开关频率较高时，所用的 电感可以更小，但开关频率每增加一倍，效率就会降低大约2%。在ADP1612 和ADP1613升压转换器（参见附录）中，开关频率可通过引脚选择，很高效率下的工作频率为650 kHz，很小外部 器件的工作频率为1.3 MHz。对于650 kHz的工作频率，将FREQ 连接至GND，而1.3 MHz的工作频率则连接至VIN。
电感是升压调节器的关键器件，它在电源开关导通期间存储电能，而在关断期间通过输出整流器将电能传输至输出端。为了在低电感电流纹波与高效率之间取得平衡，ADP1612/ADP1613 数据手册建议电感值范围为4.7 μH至22 μH。一般而言，较低值 的电感在给定实体尺寸下具有更高的饱和电流和更低的串联电 阻，而较低的电感导致较高的峰值电流，可降低效率并增加纹 波和噪声。通常很好在断续导通模式下执行升压，以便缩小电 感尺寸并改善稳定性。峰值电感电流（很大输入电流加一半的 电感纹波电流）必须小于电感的额定饱和电流；而调节器的很 大直流输入电流必须小于电感的电流有效值额定值。
升压调节器主要规格和定义
输入电压范围：升压转换器的输入电压范围决定了很低的可用输入电源。规格可能提供很宽的输入电压范围，但输入电压必须低于 VOUT才能实现高效率工作。
地电流或静态电流：未输送给负载的直流偏置电流（Iq）。 Iq越低则效率越高，然而， Iq 可以针对许多条件进行规定，包括关断、零负载、PFM工作模式或PWM工作模式。因此，为了确定某 个应用的很佳升压调节器，很好查看特定工作电压和负载电流 下的实际工作效率。
关断电流： 这是使能引脚禁用时器件消耗的输入电流，低Iq对于电池供电器件在休眠模式下能否长时间待机很重要。
开关占空比：工作占空比必须小于很大占空比，否则输出电压无法调节。
例如， D = （VOUT – VIN）/VOUT. 时VIN= 5 V and VOUT = 15 V， D = 67%. ADP1612和ADP1613的很大占空比为90%。
开关占空比：工作占空比必须小于很大占空比，否则输出电压无法调节。例如， D = （VOUT – VIN）/VOUT. 时VIN= 5 V and VOUT = 15 V， D = 67%. ADP1612和ADP1613的很大占空比为90%。
限流：升压转换器通常指定峰值电流限值而不是负载电流。请注意VIN and VOUT间的差异越大，可用负载电流越低。峰值电流限值、输入电压、输出电压、开关频率和电感值均会决定很大可用输出电流。
线路调整率： 线路调整率是指输出电压随输入电压变化而发生的变化率。
负载调整率： 负载调整率是指输出电压随输出电流变化而发生的变化率。
软启动：升压转换器具有软启动功能很重要，启动时输出电压以可控方式缓升，从而避免启动时出现输出电压过冲现象。某 些升压转换器的软启动可通过外部电容调节。随着软启动电容 充电，它会限制器件允许的峰值电流。凭借可调软启动功能 可改变启动时间以满足系统要求。
热关断（TSD）：当结点温度超过规定的限值时，热关断电路就会关闭调节器。一直较高的结温可能由工作电流高、冷 却不佳或环境温度高等原因引起。保护电路包括迟滞，以防止 发生热关断后，器件在片内温度降至预设限值以下后才返回正 常工作状态
欠压闭锁（UVLO）： 如果输入电压低于UVLO阈值，IC便自动关闭电源开关并进入低功耗模式。这可以防止低输入电压下可 能发生的工作不稳定现象，并防止电源器件在电路无法控制它 时启动。
结束语
低功耗升压调节器通过提供成熟计使开关的设 DC-DC转换器设设计变得简单。数据手册应用部分提供了设计计算，ADIsimPower4 设计工具可简化很终用户的任务。
图1显示采用两节串联的AA电池供电的典型低功耗系统。电 可用输出范围约为1.8 V至3.4 V，而IC工作时需要1.8 V和5.0 V 电压。升压转换器可在不增加电池单元数量的情况下提升电 压，从而为WLED背光、微型硬盘驱动器、音频设备和USB外 设供电，而降压转换器可为、内存和显示器供电。
图1.典型低功耗便携式系统
电感阻碍电流变化的倾向可提供升压功能。充电时，电感用作 负载并存储电能；放电时，可用作电源。放电过程中产生的电 压与电流变化速率相关，与原始充电电压无关，因此可提供不 同的输入和输出电平。
升压调节器包括两个开关、两个电容和一个电感，如图2所示。 非交叠开关驱动机制确保任一时间只有一个开关导通，避免发 生不良的直通电流。在第1阶段（tON），开关B断开，开关A闭合。 ON电感连接到地，因此电流从VIN流到地。由于电感端为正电压，因此电流增大，使电能存储于电感中。在第2阶段（tOFF）， 开关A断开，开关B闭合。电感连接到负载，因此电流从VIN流到负载。由于电感端为负电压，因此电流减小，电感中存储的能量 释放到负载中。
图2.降压转换器拓扑结构和工作波形
注意，开关调节器既可以连续工作，也可以断续工作以连续导通模式 （CCM）， 工作时，电感电流不会降至0；以断续导通模式 （DCM）， 工作时，电感电流可以降至0。 电流纹波，在图2中显示为ΔIL 使用公式ΔIL = （VIN ? tON）/L.计算。平均电感电流流入负载，而纹波电流流入输出电容。
图3.升压调节器集成振荡器、PWM控制环路和开关FET
使用肖特基二极管代替开关B的调节器定义为异步 （或非同步）， 调节器，而使用FET作为开关B的调节器定义为同步调节器。 图3中，开关A和B已分别使用内部NFET和外部肖特基二极管 来实施，从而形成异步升压调节器。对于需要负载隔离和低关 断电流的低功耗应用，可添加外部FET，如图4所示。将器件 的EN引脚驱动至0.3 V以下便可关断调节器，使输入与输出完 全断开。
图4.ADP1612/ADP1613典型应用电路
现代低功耗同步降压调节器以脉宽调制（PWM）为主要工作模式。PWM保持频率不变，通过改变脉冲宽度（tON）来调整输出电压。输送的平均功率与占空 D成正比，因此这是一种向负载 提供功率的有效方式
D=（15-5）/15=0.67 or 67%.
由于功耗降低，输入功率必须等于传递至负载的功率减去所有 损耗。假定转换十分有效，则少量的功率损失可在基本功耗计 算中省略不计。因此输入电流可近似表示为：
例如，如果负载电流在15 V时为300 mA，则5 V时IIN = 900 mA at 5 V—即输出电流的三倍。因此，可用负载电流随着升压电压增大而 降低。
升压转换器使用电压或电流反馈来调节选定的输出电压；控制 环路则可根据负载变化保持输出调节。低功耗升压转换器的工 作频率范围一般是600 kHz到2 MHz。开关频率较高时，所用的 电感可以更小，但开关频率每增加一倍，效率就会降低大约2%。在ADP1612 和ADP1613升压转换器（参见附录）中，开关频率可通过引脚选择，很高效率下的工作频率为650 kHz，很小外部 器件的工作频率为1.3 MHz。对于650 kHz的工作频率，将FREQ 连接至GND，而1.3 MHz的工作频率则连接至VIN。
电感是升压调节器的关键器件，它在电源开关导通期间存储电能，而在关断期间通过输出整流器将电能传输至输出端。为了在低电感电流纹波与高效率之间取得平衡，ADP1612/ADP1613 数据手册建议电感值范围为4.7 μH至22 μH。一般而言，较低值 的电感在给定实体尺寸下具有更高的饱和电流和更低的串联电 阻，而较低的电感导致较高的峰值电流，可降低效率并增加纹 波和噪声。通常很好在断续导通模式下执行升压，以便缩小电 感尺寸并改善稳定性。峰值电感电流（很大输入电流加一半的 电感纹波电流）必须小于电感的额定饱和电流；而调节器的很 大直流输入电流必须小于电感的电流有效值额定值。
升压调节器主要规格和定义
输入电压范围：升压转换器的输入电压范围决定了很低的可用输入电源。规格可能提供很宽的输入电压范围，但输入电压必须低于 VOUT才能实现高效率工作。
地电流或静态电流：未输送给负载的直流偏置电流（Iq）。 Iq越低则效率越高，然而， Iq 可以针对许多条件进行规定，包括关断、零负载、PFM工作模式或PWM工作模式。因此，为了确定某 个应用的很佳升压调节器，很好查看特定工作电压和负载电流 下的实际工作效率。
关断电流： 这是使能引脚禁用时器件消耗的输入电流，低Iq对于电池供电器件在休眠模式下能否长时间待机很重要。
开关占空比：工作占空比必须小于很大占空比，否则输出电压无法调节。
例如， D = （VOUT – VIN）/VOUT. 时VIN= 5 V and VOUT = 15 V， D = 67%. ADP1612和ADP1613的很大占空比为90%。
开关占空比：工作占空比必须小于很大占空比，否则输出电压无法调节。例如， D = （VOUT – VIN）/VOUT. 时VIN= 5 V and VOUT = 15 V， D = 67%. ADP1612和ADP1613的很大占空比为90%。
限流：升压转换器通常指定峰值电流限值而不是负载电流。请注意VIN and VOUT间的差异越大，可用负载电流越低。峰值电流限值、输入电压、输出电压、开关频率和电感值均会决定很大可用输出电流。
线路调整率： 线路调整率是指输出电压随输入电压变化而发生的变化率。
负载调整率： 负载调整率是指输出电压随输出电流变化而发生的变化率。
软启动：升压转换器具有软启动功能很重要，启动时输出电压以可控方式缓升，从而避免启动时出现输出电压过冲现象。某 些升压转换器的软启动可通过外部电容调节。随着软启动电容 充电，它会限制器件允许的峰值电流。凭借可调软启动功能 可改变启动时间以满足系统要求。
热关断（TSD）：当结点温度超过规定的限值时，热关断电路就会关闭调节器。一直较高的结温可能由工作电流高、冷 却不佳或环境温度高等原因引起。保护电路包括迟滞，以防止 发生热关断后，器件在片内温度降至预设限值以下后才返回正 常工作状态
欠压闭锁（UVLO）： 如果输入电压低于UVLO阈值，IC便自动关闭电源开关并进入低功耗模式。这可以防止低输入电压下可 能发生的工作不稳定现象，并防止电源器件在电路无法控制它 时启动。
结束语
低功耗升压调节器通过提供成熟计使开关的设 DC-DC转换器设设计变得简单。数据手册应用部分提供了设计计算，ADIsimPower4 设计工具可简化很终用户的任务。
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