- 探討高效率DC-DC轉(zhuǎn)換器三項基本技術(shù)
- 采用降壓/升壓調(diào)節(jié)器(如ADP2503或ADP2504)
- 采用電流模式、固定頻率、脈沖寬度調(diào)制 (PWM)控制
DC-DC 開關(guān)轉(zhuǎn)換器的作用是將一個直流電壓有效轉(zhuǎn)換成另一個。高效率DC-DC轉(zhuǎn)換器采用三項基本技術(shù):降壓、升壓,以及降壓/升壓。降壓轉(zhuǎn)換器用于產(chǎn)生低直流輸 出電壓,升壓轉(zhuǎn)換器用于產(chǎn)生高直流輸出電壓,降壓/升壓轉(zhuǎn)換器則用于產(chǎn)生小于、大于或等于輸入電壓的輸出電壓。本文將重點介紹如何成功應用降壓/升壓 DC-DC轉(zhuǎn)換器。
圖1所示為采用單個單元的鋰離子電池供電的典型低功耗系統(tǒng)。電池的可用輸出范圍為放電時的約3.0 V到充滿電時的4.2 V。系統(tǒng)IC需要1.8 V、3.3 V、和3.6 V的電壓,以實現(xiàn)最佳工作狀態(tài)。鋰離子電池開始工作時的電壓為4.2 V,結(jié)束工作時的電壓為3.0 V,在此過程中,降壓/升壓調(diào)節(jié)器可以提供3.3 V的恒定電壓,而降壓調(diào)節(jié)器或低壓差調(diào)節(jié)器(LDO)則可在電池放電時提供1.8 V的電壓。理論上,當電池電壓高于3.5 V時,可使用降壓調(diào)節(jié)器或LDO產(chǎn)生3.3 V電壓,但當電池電壓降至3.5 V以下時,系統(tǒng)就會停止工作。允許系統(tǒng)過早關(guān)閉會減少電池需要重新充電前的系統(tǒng)工作時間。
圖1. 典型低功耗便攜式系統(tǒng)
降壓/升壓調(diào)節(jié)器內(nèi)置四個開關(guān)、兩個電容和一個電感,如圖2所示。如今的低功耗、高效率降壓/升壓調(diào)節(jié)器在降壓或升壓模式下工作時,只要主動操作其中兩個開關(guān),就可以降低損耗,提高效率。
圖2. 降壓/升壓轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)
當VIN大于 VOUT, 時,開關(guān)C斷開,開關(guān)D閉合。開關(guān)A和B的工作方式和在標準降壓調(diào)節(jié)器中一樣,如圖3所示。
圖3.Buck mode when VIN 》 VOUT時的降壓模式
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當 VIN小于VOUT,時,開關(guān)B斷開,開關(guān)A閉合。開關(guān)C和D的工作方式和在升壓調(diào)節(jié)器中一樣,如圖4所示。最困難的工作模式是當VIN 處在VOUT ± 10%, 范圍內(nèi)時,此時調(diào)節(jié)器會進入降壓/升壓 模式。在降壓/升壓模式下,兩種操作(降壓和升壓)會在一個開關(guān)周期內(nèi)發(fā)生。應特別注意降低損耗、優(yōu)化效率,以及消除由于模式切換造成的不穩(wěn)定性。這么做的目標是保持電壓穩(wěn)定,使電感中的電流紋波降至最低,保證良好的瞬態(tài)性能。
圖4.BoostVIN
對于高負載電流,降壓/升壓調(diào)節(jié)器采用電流模式、固定頻率、脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制,以獲得出色的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應。為確保便攜式應用的電池壽命最長,還采用了省電模式,在輕載時可降低開關(guān)頻率。對于無線應用和其它低噪聲應用,可變頻率省電模式可能會引起干擾,通過增加邏輯控制輸入,可強制轉(zhuǎn)換器在所有負載條件下均以固定頻率PWM方式工作。
降壓/升壓調(diào)節(jié)器提高系統(tǒng)效率
如今的很多便攜式系統(tǒng)都采用單單元鋰離子充電電池供電。如上所述,電池會從滿充狀態(tài)時的4.2 V開始工作,緩慢放電至3.0 V。當電池輸出降至3.0 V以下時,系統(tǒng)就會關(guān)閉,防止電池因過度放電而受損。采用低壓差調(diào)節(jié)器產(chǎn)生3.3 V電壓軌時,系統(tǒng)會在
VIN MIN = VOUT + VDROUPOUT = 3.3 V + 0.2 V = 3.5 V
時關(guān)斷,此時只用了電池所存儲電能的70% 。但如果采用降壓/升壓調(diào)節(jié)器(如ADP2503或ADP2504),系統(tǒng)就可以持續(xù)工作到最小實際電池電壓。ADP2503和ADP2504 (參見 附錄) 均為高效率、600 mA和1000 mA低靜態(tài)電流、降壓/升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器,工作時的輸入電壓可高于、低于或等于穩(wěn)壓輸出電壓。電源開關(guān)采用內(nèi)置形式,最大限度地減少了外部元件的數(shù)量和印刷電路板(PCB)的面積。通過這種方法,系統(tǒng)可以一直工作到3.0 V,從而充分利用電池存儲的電能,增加了電池需要重新充電前的系統(tǒng)工作時間。
為了節(jié)省便攜式系統(tǒng)的電能,各種子系統(tǒng)(如微處理器、顯示屏背光和功率放大器)不用時會在全開 和休眠模式之間頻繁切換,造成電池電源線路上較大的電壓瞬變。這些瞬變會使電池輸出電壓短時降至3.0 V以下,并觸發(fā)低電量警告,從而使系統(tǒng)在電池完全放電前關(guān)閉。降壓/升壓解決方案可以承受的電壓擺幅低至2.3 V,有助于維持系統(tǒng)潛在的工作時間。
降壓/升壓調(diào)節(jié)器主要規(guī)格特性與定義
輸出電壓范圍選項: 降壓/升壓調(diào)節(jié)器提供額定的固定輸出電壓,或者提供選項,允許通過外部電阻分壓器對輸出電壓進行編程設(shè)置。
地電流或靜態(tài)電流: 未輸送給負載的直流偏置電流 (Iq) 器件的 Iq低,則效率越高,然而, Iq 可以針對許多條件進行規(guī)定,包括關(guān)斷、負載、脈沖頻率(PFM)工作模式或脈沖寬度(PWM)工作模式。因此,為了確定某個應用的最佳升壓調(diào)節(jié)器,最好查看特定工作電壓和負載電流下的實際工作效率。
關(guān)斷電流:這是使能引腳禁用時器件消耗的輸入電流。低Iq對于電池供電器件在休眠模式下能否長時間待機很重要。在邏輯控制的關(guān)斷期間,輸入與輸出斷開,從輸入源汲取的電流小于1 μA。
軟啟動:具有軟啟動功能很重要,輸出電壓以可控方式緩升,從而避免啟動時出現(xiàn)輸出電壓過沖現(xiàn)象。
開關(guān)頻率:低功耗降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的工作頻率范圍一般是500 kHz到3 MHz。開關(guān)頻率較高時,所用的電感可以更小,還可減少PCB面積,但開關(guān)頻率每增加一倍,效率就會降低大約2%。
熱關(guān)斷(TSD):當結(jié)溫超過規(guī)定的限值時,熱關(guān)斷電路就會關(guān)閉調(diào)節(jié)器。一直較高的結(jié)溫可能由工作電流高、電路板冷卻不佳和/或環(huán)境溫度高等原因引起。保護電路包括遲滯,因此,發(fā)生熱關(guān)斷后,器件會在片內(nèi)溫度降至預設(shè)限值以下后才返回正常工作狀態(tài)。
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