高效率升壓轉換器應用技巧談

2020-12-05 電子產品世界

為可攜式電子設備開發電源電路要求設計工程師通過最大程度地提高功率和降低整個系統的功耗來延長電池使用壽命，這推動器件本身的尺寸變得更小，從而有益於在設計終端產品時獲得更高靈活性。這種設計的最重要元器件之一是電源管理IC或DC/DC轉換器。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/328186.htm

高效DC/DC轉換器是所有可攜式設計的基礎。許多可攜式電子應用被設計成採用單節AA或AAA電池工作，這給電源設計工程師提出了挑戰。從850mV～1.5V的輸入電壓產生一個恆定的3.3V系統輸出，要求同步升壓DC/DC轉換器能夠在固定開關頻率下工作，同時附帶片上補償電路，並且需要微型低高度電感和陶瓷電容，最好採用微型IC封裝以減少它在設備設計中的總佔位面積。

一個由薄型SOT IC封裝和少量外部元器件組成的經過驗證的電路設計，實現了一個僅佔7×9mm2板面積的效率為90%的單電池到3.3V/150mA轉換器。當在單電池輸入(1.5V)下工作時，25mA～80mA之間的負載電流可能實現90%以上的效率。一個外部低電流肖特基二極體(雖然並不是必需的)將在較高輸出電流下最大程度地提高效率。

這個電路設計集成了帶額定電阻值為0.35Ω(N)且典型電阻值為0.45Ω(P)的低柵電極電壓內部開關的高效DC/DC轉換器。在整個工作溫度範圍內，開關電流限制一般為850mA，從而在新的鹼性AA單節電池輸入和兩節電池輸入時可分別實現0.66W和2.5W的輸出功率。

電流模式控制提供出色的輸入線路和輸出負載瞬態響應。斜坡補償(這是當佔空比超過50%時用來防止分頻諧波不穩定性所必需的)可以整合到轉換器中，與電路一起保持恆流限制閾值，而不管輸入電壓是多少。

主要特性

先進電源管理IC設計的兩個特性會影響其工作效率：內部反饋機制的集成和可在工作期間節省能量的節電模式的加入。增加的內部反饋迴路補償不再需要外部元器件了，從而降低了總成本，簡化了設計過程。通過僅在需要時激活電源轉換器以將輸出電壓調製保持在1%以內，節電工作模式提高了輕負載(ILOAD< 3mA，典型值)時的轉換器效率。一旦輸出電壓在進行調製，轉換器會切換至睡眠狀態，從而減少柵電荷損失和靜態電流。不帶節電模式的類似IC將被強制在整個工作範圍內保持恆定的PWM，從而增加了靜態電流。雖然在一些頻率敏感的應用中恆頻PWM可能會受歡迎，但它會降低總系統效率。

關斷電流低於1mA，並且這個引腳上的磁滯允許對VIN進行簡單的阻性上拉從而連續工作。還要注意，在關斷過程中，VOUT保持低於VIN的未經過調製的600mV。當存儲器或實時時鐘必須在斷電期間保持激活時，這個特性特別有用。可以通過更改分壓器的電阻值輕鬆設定輸出電壓。

為了從電池電源獲得最高功效，DC/DC轉換器必須能夠在1V以下的輸入電壓下工作，並提供範圍在2.5V～5V之間的可調整輸出電壓。理想情況下，這種器件還將能夠在低至0.65V的輸入電壓下繼續工作，唯一的局限性在於輸入電源提供足夠功率的能力。

這個特性將消除對大的輸入旁路電容的需要，從而節省了板空間、降低了成本。在低至0.65V的輸入電壓下工作的能力，是從電量接近耗盡的電池中獲得更長使用壽命的重要特性。

以兩個由單節電池供電的可攜式設備為例，其電池使用壽命的比較表明，在理想測試條件下，電源管理IC在低壓模式下工作的能力使其可比傳統DC/DC轉換器多提供六個多小時的電池使用壽命。工作壽命延長40%為終端產品提供了明顯的優勢。比較情況如圖所示。

EMI抑制方法

當升壓轉換器在非連續模式下工作時(即功率傳動周期開始之前，電感電流降至零時)，可能存在EMI問題。為了幫助降低電勢參考點，在電感電流為零且器件處於關斷狀態時，可將一個100Ω的內部阻尼電路跨接在電感上。

EMI和總性能質量也會受PCB布局的影響。高速工作的低壓輸入器件需要格外注意線路板布局，特別是處於涉及N溝道和P溝道開關切換的工作周期期間的高電流通路。SW引腳、VIN引腳CIN、COUT和地之間的電流通路應短而寬，以形成最低的固有電阻損耗和最低的漏電感。


圖1：能在低壓模式下工作的電源管理IC(紫色)可比傳統DC/DC轉換器(紅色)多提供6個多小時的電池使用壽命。

作者：Steven Chen

的現場應用工程師

Austriamicrosystems公司

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