高效率升壓轉換器應用技巧
高效率升壓轉換器應用技巧
為便攜式電子設備開(kāi)發(fā)電源電路要求設計工程師通過(guò)最大程度地提高功率和降低整個(gè)系統的功耗來(lái)延長(cháng)電池使用壽命，這推動(dòng)器件本身的尺寸變得更小，從而有益于在設計終端產(chǎn)品時(shí)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。
高效DC/DC轉換器是所有便攜式設計的基礎。許多便攜式電子應用被設計成采用單節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(chǎn)生一個(gè)恒定的3.3V系統輸出，要求同步升壓DC/DC轉換器能夠在固定開(kāi)關(guān)頻率下工作，同時(shí)附帶片上補償電路，并且需要微型低高度電感和陶瓷電容，最好采用微型IC封裝以減少它在設備設計中的總占位面積。
一個(gè)由薄型SOT IC封裝和少量外部元器件組成的經(jīng)過(guò)驗證的電路設計，實(shí)現了一個(gè)僅占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(shí)，25mA～80mA之間的負載電流可能實(shí)現90%以上的效率。一個(gè)外部低電流肖特基二極管(雖然并不是必需的)將在較高輸出電流下最大程度地提高效率。
這個(gè)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(kāi)關(guān)的高效DC/DC轉換器。在整個(gè)工作溫度范圍內，開(kāi)關(guān)電流限制一般為850mA，從而在新的堿性AA單節電池輸入和兩節電池輸入時(shí)可分別實(shí)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(xiàn)路和輸出負載瞬態(tài)響應。斜坡補償(這是當占空比超過(guò)50%時(shí)用來(lái)防止分頻諧波不穩定性所必需的)可以整合到轉換器中，與電路一起保持恒流限制閾值，而不管輸入電壓是多少。
主要特性
先進(jìn)電源管理IC設計的兩個(gè)特性會(huì )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。增加的內部反饋回路補償不再需要外部元器件了，從而降低了總成本，簡(jiǎn)化了設計過(guò)程。通過(guò)僅在需要時(shí)激活電源轉換器以將輸出電壓調制保持在1%以?xún)�，節電工作模式提高了輕負載(ILOAD < 3mA，典型值)時(shí)的轉換器效率。一旦輸出電壓在進(jìn)行調制，轉換器會(huì )切換至睡眠狀態(tài)，從而減少柵電荷損失和靜態(tài)電流。不帶節電模式的類(lèi)似IC將被強制在整個(gè)工作范圍內保持恒定的PWM，從而增加了靜態(tài)電流。雖然在一些頻率敏感的應用中恒頻PWM可能會(huì )受歡迎，但它會(huì )降低總系統效率。
關(guān)斷電流低于1mA，并且這個(gè)引腳上的磁滯允許對VIN進(jìn)行簡(jiǎn)單的阻性上拉從而連續工作。還要注意，在關(guān)斷過(guò)程中，VOUT保持低于VIN的未經(jīng)過(guò)調制的600mV。當存儲器或實(shí)時(shí)時(shí)鐘必須在斷電期間保持激活時(shí)，這個(gè)特性特別有用�？梢酝ㄟ^(guò)更改分壓器的電阻值輕松設定輸出電壓。
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，并提供范圍在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，唯一的局限性在于輸入電源提供足夠功率的能力。
這個(gè)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(cháng)使用壽命的重要特性。
以?xún)蓚�(gè)由單節電池供電的便攜式設備為例，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(gè)多小時(shí)的電池使用壽命。工作壽命延長(cháng)40%為終端產(chǎn)品提供了明顯的優(yōu)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(shí)(即功率傳動(dòng)周期開(kāi)始之前，電感電流降至零時(shí))，可能存在EMI問(wèn)題。為了幫助降低電勢參考點(diǎn)，在電感電流為零且器件處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，可將一個(gè)100Ω的內部阻尼電路跨接在電感上。
EMI和總性能質(zhì)量也會(huì )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(xiàn)路板布局，特別是處于涉及N溝道和P溝道開(kāi)關(guān)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。
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