採用降壓/升壓開關穩壓器解決電池容量問題

2020-12-04 電子發燒友

採用降壓/升壓開關穩壓器解決電池容量問題

電子設計 發表於 2019-03-27 09:08:00

降壓（「降壓」）開關電壓轉換器（或穩壓器）是電池供電產品的常用產品，因為它們在寬電壓和負載範圍內都很有效，並且相對簡單。但是，當電池電壓低於所需輸出時，調節器停止運行。這在可攜式設計中可能是一個缺點，因為在電源「掉出」之後，電池中通常會留下一些未使用的容量，否則這些容量可能會用於延長運行時間。

解決未使用電池容量的常用解決方案是降壓/升壓（「降壓/升壓」）開關穩壓器或替代拓撲結構，如單端初級電感轉換器（SEPIC）。一旦電池輸出低於所需的電源輸出，這些類型的電源會自動切換到升壓配置。但降壓/升壓器件相對昂貴，電路更複雜，電源佔用更大的電路板空間。

然而，開關電源的選擇較少，可以最大化電池容量在可攜式產品中，簡單且便宜：開關逆變調節器。這些通常用於將正輸入電壓轉換為（較低）負輸出，但也可用於將變化的正輸入轉換為較低或較高的負輸出。

本文介紹了開關反相穩壓器及其應用，然後引導描述使用該器件調節變化的輸入電壓的拓撲結構，作為傳統降壓/升壓穩壓器的替代方案。

反相調節器的剖析

圖1顯示了開關反相調節器的簡化原理圖。調節器包括脈衝寬度調製（PWM）控制器，其驅動連接到電感器的金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET）。當存儲MOSFET關閉時，電感充當儲能器。

圖1：開關反相電壓調節器的簡化原理圖。 （由Linear Technology提供）

圖2（a）和2（b）顯示了等效電路，說明了圖1所示電路工作期間發生的情況。當電晶體（Q）導通時（圖如圖2（a）所示，二極體（D）反向偏置，電感器（L）中的電流增加。當Q關閉時（圖2（b）），L改變極性，D變為正向偏置，電流從L流向負載和電容器（C）。相對於系統地，C和負載兩端的電壓為負。圖3顯示了電路的時序圖。

圖2（a）左側和2（b）：說明a的操作的等效電路開關反相調節器。 （由Linear Technology提供）

圖3：開關反相穩壓器的時序圖。 （由Linear Technology提供）

降壓/升壓應用中的逆變器

開關逆變穩壓器受工程師歡迎，包括雙倍應用其中包括傳感器和音頻放大器。然而，今天的高壓同步反相穩壓器正在尋找第二種應用，作為降壓/升壓操作的傳統降壓/升壓，SEPIC和反激拓撲的替代方案。

可以使用反相穩壓器將（有時是廣泛的）變化的正輸入轉換為更低或更高的負輸出 - 提供更簡單（通常僅使用單個電感器）和更成熟的降壓/升壓電源設計的替代品。

有多種DC-DC開關控制器可供選擇，在這些控制器上可以使用反相電壓調節器電路。例如，圖4顯示了凌力爾特公司LTC3863在典型降壓/升壓應用中反相DC-DC控制器。 LTC3863針對汽車和工業應用進行了優化。該晶片驅動P溝道功率MOSFET產生負輸出，只需一個電感即可完成電路。輸出電壓範圍為-0.4至-150 V，較高的電壓僅受外部元件額定值的限制。 LTC3863具有出色的輕載效率，僅消耗70μA的靜態電流。開關頻率可設置為50至850 kHz。

當用作P溝道MOSFET加電感器和二極體（以及支持無源器件）的控制器時，LTC3863支持反相穩壓器拓撲結構，具有傳統降壓/升壓拓撲調節範圍的降壓轉換器的簡單性。在這種配置中，電路從4.5到55V的輸入電壓（開關頻率為320kHz）提供最大電流為1.8A的-5V輸出電壓。

圖4：LTC3863基於DC-DC開關控制器的反相電源示例設計。 （由Linear Technology提供）

整個轉換器電源路徑包含LTC3863，MOSFET Q1，電感L1，二極體D1和輸出濾波電容COUT1和COUT3。

德州儀器（TI）的TPS5430作為傳統電源拓撲的降壓控制器而推廣，也可以配置為反相降壓/升壓設計的基礎。該晶片集成了MOSFET開關元件。工作頻率為500 kHz，器件可接受-0.3至40 V的寬輸入電壓範圍，在高達3 A（連續）或4 A（峰值）電流時提供1.2至31 V輸出，效率高達95％。

就其本身而言，Maxim提供MAX765開關反相穩壓器，可用於降壓/升壓拓撲。器件的輸入電壓範圍為3至16 V，輸出電壓預設為-12 V（但也可使用兩個外部電阻在-1 V至-16 V範圍內調節）。最大工作電壓（VIN - VOUT）差分為20 V.

總之，開關反相穩壓器可以比傳統的降壓/升壓器件更簡單，更便宜的降壓/升壓操作選項。在這種類型的應用中使用開關反相穩壓器的缺點是輸出電壓為負。但是，反轉電路的極性很簡單;該電路可以設計成使負輸出設置為系統接地，負電池端子然後成為「正」電壓源。器件輸入端的有效電壓為VIN - VOUT 2 。

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