高效率升壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用技巧

為便攜式電子設(shè)備開發(fā)電源電路要求設(shè)計(jì)工程師通過最大程度地提高功率和降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗來延長(zhǎng)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(shè)計(jì)終端產(chǎn)品時(shí)獲得更高靈活性。這種設(shè)計(jì)的最重要元器件之一是電源管理IC或DC/DC轉(zhuǎn)換器。

高效DC/DC轉(zhuǎn)換器是所有便攜式設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。許多便攜式電子應(yīng)用被設(shè)計(jì)成采用單節(jié)AA或AAA電池工作，這給電源設(shè)計(jì)工程師提出了挑戰(zhàn)。從850mV～1.5V的輸入電壓產(chǎn)生一個(gè)恒定的3.3V系統(tǒng)輸出，要求同步升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器能夠在固定開關(guān)頻率下工作，同時(shí)附帶片上補(bǔ)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(shè)備設(shè)計(jì)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)過驗(yàn)證的電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)換器。當(dāng)在單電池輸入(1.5V)下工作時(shí)，25mA～80mA之間的負(fù)載電流可能實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)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(nèi)部開關(guān)的高效DC/DC轉(zhuǎn)換器。在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，開關(guān)電流限制一般為850mA，從而在新的堿性AA單節(jié)電池輸入和兩節(jié)電池輸入時(shí)可分別實(shí)現(xiàn)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(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。斜坡補(bǔ)償(這是當(dāng)占空比超過50%時(shí)用來防止分頻諧波不穩(wěn)定性所必需的)可以整合到轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)的兩個(gè)特性會(huì)影響其工作效率：內(nèi)部反饋機(jī)制的集成和可在工作期間節(jié)省能量的節(jié)電模式的加入。增加的內(nèi)部反饋回路補(bǔ)償不再需要外部元器件了，從而降低了總成本，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程。通過僅在需要時(shí)激活電源轉(zhuǎn)換器以將輸出電壓調(diào)制保持在1%以內(nèi)，節(jié)電工作模式提高了輕負(fù)載(I_LOAD 3mA，典型值)時(shí)的轉(zhuǎn)換器效率。一旦輸出電壓在進(jìn)行調(diào)制，轉(zhuǎn)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(jié)電模式的類似IC將被強(qiáng)制在整個(gè)工作范圍內(nèi)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(yīng)用中恒頻PWM可能會(huì)受歡迎，但它會(huì)降低總系統(tǒng)效率。

關(guān)斷電流低于1mA，并且這個(gè)引腳上的磁滯允許對(duì)VIN進(jìn)行簡(jiǎn)單的阻性上拉從而連續(xù)工作。還要注意，在關(guān)斷過程中，VOUT保持低于VIN的未經(jīng)過調(diào)制的600mV。當(dāng)存儲(chǔ)器或?qū)崟r(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^更改分壓器的電阻值輕松設(shè)定輸出電壓。

為了從電池電源獲得最高功效，DC/DC轉(zhuǎn)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(diào)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(xù)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(duì)大的輸入旁路電容的需要，從而節(jié)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(zhǎng)使用壽命的重要特性。

以兩個(gè)由單節(jié)電池供電的便攜式設(shè)備為例，其電池使用壽命的比較表明，在理想測(cè)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(tǒng)DC/DC轉(zhuǎn)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(zhǎng)40%為終端產(chǎn)品提供了明顯的優(yōu)勢(shì)。比較情況如圖所示。

EMI抑制方法

當(dāng)升壓轉(zhuǎn)換器在非連續(xù)模式下工作時(shí)(即功率傳動(dòng)周期開始之前，電感電流降至零時(shí))，可能存在EMI問題。為了幫助降低電勢(shì)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(nèi)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路板布局，特別是處于涉及N溝道和P溝道開關(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(yīng)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(tǒng)DC/DC轉(zhuǎn)換器(紅色)多提供6個(gè)多小時(shí)的電池使用壽命。