升壓調(diào)節(jié)器

便攜式電子器件(如智能手機(jī)、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)和平板電腦)的電源可以來(lái)自低壓太陽(yáng)能電池板、電池或AC/DC電源。電池供電系統(tǒng)通常將電池串聯(lián)疊置以實(shí)現(xiàn)更高的電壓，但由于空間不足，此技術(shù)未必總是可行。開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器使用電感的磁場(chǎng)來(lái)交替地存儲(chǔ)電能，并以不同電壓釋放至負(fù)載。因?yàn)閾p耗很低，所以開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器是個(gè)不錯(cuò)的高效率選擇。連接至轉(zhuǎn)換器輸出端的電容可減少輸出電壓紋波。升壓轉(zhuǎn)換器提供較高的輸出電壓；而本文所討論的降壓轉(zhuǎn)換器則提供較低的輸出電壓。內(nèi)置FET作為開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器稱(chēng)為開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，需要外部FET的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器則稱(chēng)為開(kāi)關(guān)控制器。

圖1顯示采用兩節(jié)串聯(lián)的AA電池供電的典型低功耗系統(tǒng)。電池可用輸出范圍約為1.8 V至3.4 V，而IC工作時(shí)需要1.8 V 和5.0 V電壓。升壓轉(zhuǎn)換器可在不增加電池單元數(shù)量的情況下提升電壓，從而為WLED背光、微型硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、音頻設(shè)備和USB外設(shè)供電，而降壓轉(zhuǎn)換器可為微處理器、內(nèi)存和顯示器供電。

圖1：典型低功耗便攜式系統(tǒng)

電感阻擋電流變化的傾向可提供升壓功能。充電時(shí)，電感用作負(fù)載并存儲(chǔ)電能；放電時(shí)，電感用作電能來(lái)源。放電過(guò)程中產(chǎn)生的電壓與電流變化速率而不是原始充電電壓相關(guān)，因此可提供不同的輸入和輸出電平。

升壓調(diào)節(jié)器包括兩個(gè)開(kāi)關(guān)、兩個(gè)電容和一個(gè)電感，如圖2 所示。非交疊開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)機(jī)制確保任一時(shí)間只有一個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，避免發(fā)生不良的直通電流。在第1階段(tON)，開(kāi)關(guān)B斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)A閉合。電感連接到地，因此電流從VIN流到地。由于電感兩端為正電壓，因此電流增大，使電能存儲(chǔ)于電感中。在第2階段(tOFF)，開(kāi)關(guān)A斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)B閉合。電感連接到負(fù)載，因此電流從VIN流到負(fù)載。由于電感兩端為負(fù)電壓，因此電流減小，電感中存儲(chǔ)的能量釋放到負(fù)載中。

圖2：升壓轉(zhuǎn)化器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作波形

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注意，開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器既可以連續(xù)工作，也可以斷續(xù)工作。以連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)工作時(shí)，電感電流不會(huì)降至0；以斷續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)工作時(shí)，電感電流可以降至0。電流紋波在圖2 顯示為△ILOAD，使用以下公式計(jì)算：

△ILOAD = (VIN  x tON)/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：升壓調(diào)節(jié)器集成振蕩器、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的調(diào)節(jié)器定義為異步(或異步)調(diào)節(jié)器，而使用FET作為開(kāi)關(guān)B的調(diào)節(jié)器定義為同步調(diào)節(jié)器。圖3，開(kāi)關(guān)A和B已分別使用內(nèi)部NFET和外部肖特基二極管來(lái)實(shí)施，從而形成異步升壓調(diào)節(jié)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以下便可關(guān)斷調(diào)節(jié)器，使輸入與輸出完全斷開(kāi)。

圖4：ADP1612/ADP1613典型應(yīng)用電路
 

現(xiàn)代低功耗同步降壓調(diào)節(jié)器以脈寬調(diào)制(PWM)為主要工作模式。PWM保持頻率不變，通過(guò)改變脈沖寬度(tON)來(lái)調(diào)整輸出電壓。輸送的平均功率與占空比D成正比，因此這是一種向負(fù)載提供功率的有效方式。

例如，所需輸出電壓為15V，可用輸入電壓為5V時(shí)：

D = (15–5)/15 =0.67or67%

由于功耗降低，輸入功率必須等于傳遞至負(fù)載的功率減去所有損耗。假定轉(zhuǎn)換十分有效，則少量的功率損失可在基本功耗計(jì)算中省略不計(jì)。因此輸入電流可近似表示為：

IIN = (VOUT/VIN) × IOUT

例如，如果負(fù)載電流在15V時(shí)為300mA，則5V時(shí)IIN =900mA，即輸出電流的三倍。因此，可用負(fù)載電流隨著升壓電壓增大而降低。

升壓轉(zhuǎn)換器使用電壓或電流反饋來(lái)調(diào)節(jié)選定的輸出電壓；控制環(huán)路則可根據(jù)負(fù)載變化保持輸出調(diào)節(jié)。低功耗升壓轉(zhuǎn)換器的工作頻率范圍一般是600kHz到2MHz。開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，所用的電感可以更小，但開(kāi)關(guān)頻率每增加一倍，效率就會(huì)降低大約2%。在ADP1612和ADP1613升壓轉(zhuǎn)換器(參見(jiàn)“ADP1612和ADP1613”部分)中，開(kāi)關(guān)頻率可通過(guò)引腳選擇，最高效率下的工作頻率為650kHz，最小外部器件的工作頻率為1.3MHz。對(duì)于650kHz的工作頻率，將FREQ連接至GND，而1.3MHz的工作頻率則連接至VIN。

電感是升壓調(diào)節(jié)器的關(guān)鍵器件，它在電源開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間存儲(chǔ)電能，而在關(guān)斷期間通過(guò)輸出整流器將電能傳輸至輸出端。為了在低電感電流紋波與高效率之間取得平衡，ADP1612/ADP1613數(shù)據(jù)手冊(cè)建議電感值范圍為4.7tH至22 tH。一般而言，較低值的電感在給定實(shí)體尺寸下具有更高的飽和電流和更低的串聯(lián)電阻，而較低的電感導(dǎo)致較高的峰值電流，可降低效率并增加紋波和噪聲。通常最好在斷續(xù)導(dǎo)通模式下執(zhí)行升壓，以便縮小電感尺寸并改善穩(wěn)定性。峰值電感電流(最大輸入電流加一半的電感紋波電流)必須小于電感的額定飽和電流；而調(diào)節(jié)器的最大直流輸入電流必須小于電感的均方根電流額定值。

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升壓調(diào)節(jié)器主要規(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的可用輸入電源電壓。規(guī)格可能提供很寬的輸入電壓范圍，但輸入電壓必須低于VOUT才能實(shí)現(xiàn)高效率工作。

地電流或靜態(tài)電流

未輸送給負(fù)載的直流偏置電流(IQ)。IQ越低則效率越高，然而，IQ可以針對(duì)許多條件進(jìn)行規(guī)定，包括關(guān)斷、零負(fù)載、PFM工作模式或PWM工作模式。因此，為了確定某個(gè)應(yīng)用的最佳升壓調(diào)節(jié)器，最好查看特定工作電壓和負(fù)載電流下的實(shí)際工作效率。

關(guān)斷電流

這是使能引腳(EN)被拉低、器件關(guān)斷時(shí)消耗的輸入電流，低ISD對(duì)于電池供電器件在休眠模式下能否長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)很重要。

開(kāi)關(guān)占空比

工作占空比必須小于最大占空比，否則輸出電壓無(wú)法調(diào)節(jié)。例如：

D = (VOUT  − VIN)/VOUT

VIN =5V且VOUT =15V時(shí)，D=67%。ADP1612和ADP1613的最大占空比為90%。

輸出電壓范圍

這是器件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，或者可利用電阻設(shè)定所需的輸出電壓來(lái)調(diào)節(jié)。

限流

升壓轉(zhuǎn)換器通常指定峰值電流限值而不是負(fù)載電流。請(qǐng)注意，VIN與VOUT間的差異越大，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)頻率和電感值均會(huì)決定最大可用輸出電流。

線性路調(diào)整率

線性路調(diào)整率是指輸出電壓隨輸入電壓變化而發(fā)生的變化率。

負(fù)載調(diào)整率

負(fù)載調(diào)整率是指輸出電壓隨輸出電流變化而發(fā)生的變化率。

軟啟動(dòng)

升壓轉(zhuǎn)換器具有軟啟動(dòng)功能很重要，啟動(dòng)時(shí)輸出電壓以可控方式緩升，從而避免啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)輸出電壓過(guò)沖現(xiàn)象。某些升壓轉(zhuǎn)換器的軟啟動(dòng)可通過(guò)外部電容調(diào)節(jié)。隨著軟啟動(dòng)電容充電，它會(huì)限制器件允許的峰值電流。憑借可調(diào)軟啟動(dòng)功能，可改變啟動(dòng)時(shí)間以滿足系統(tǒng)要求。

熱關(guān)斷(TSD)

當(dāng)結(jié)溫超過(guò)規(guī)定的限值時(shí)，熱關(guān)斷電路就會(huì)關(guān)閉調(diào)節(jié)器。一直較高的結(jié)溫可能由工作電流高 電路板冷卻不佳或環(huán)境溫度高等原因引起。保護(hù)電路包括遲滯，發(fā)生熱關(guān)斷后，器件只有在片內(nèi)溫度降預(yù)設(shè)限值以下后才返回正常工作狀態(tài)。

欠壓閉鎖(UVLO)

如果輸入電壓低于UVLO閾值，IC便自動(dòng)關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)并進(jìn)入低耗模式。這可以防止低輸入電壓下可能發(fā)生的工作不穩(wěn)定現(xiàn)象，并防止電源器件在電路無(wú)法控制它時(shí)啟 動(dòng)。

ADP1612和ADP1613

升壓DC-DC開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的工作頻率是650 kHz或1300 kHz。

分別采用1.8 V 5.5 V 電源或2.5 V 5.5 V 電源供電時(shí)，升壓轉(zhuǎn)換器ADP1612和ADP1613能夠以高達(dá)20V的電壓供應(yīng)超過(guò)150mA的電流。通過(guò)將一個(gè)1.4 A/2.0 A 0.13 Q率開(kāi)關(guān)與一個(gè)電流模式脈寬調(diào)制調(diào)節(jié)器集成在一起，其輸出隨輸入電壓負(fù)載電流和溫度變化僅改變不到1%。工作頻率可通過(guò)引腳選擇，并可通過(guò)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)高效率或最小外部組件尺寸：650kHz時(shí)，其效率可達(dá)到90%；1.3 MHz時(shí)，其電路能夠以最小空間實(shí)現(xiàn)，因而非常適合便攜式設(shè)備和液晶顯示器中空間受限的應(yīng)用環(huán)境?？烧{(diào)軟啟動(dòng)電路防止發(fā)生浪涌電流，確保安全可預(yù)測(cè)的啟動(dòng)條件。ADP1612和ADP1613在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的 耗為2.2 mA，在非開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的耗為700 µA，在關(guān)斷模式下的耗為10 nA。這些器件采用8引腳MSOP封裝，額定溫度范圍為−40°C+125°C。