LED低壓驅動電源—DC/DC 升壓變換器（下）

　　開關電容變換器的工作過程是：首先由電容儲存能量，然后按受控方式向輸出釋放能量，以便在輸出端獲得所需要的電壓。電容能量的獲得和釋放是由開關陣列、振蕩器、邏輯電路、比較器、控制電路等來實現(xiàn)的。暫且撇開具體的電路不談，先用圖8 的原理圖來說明輸出電壓是如何提高的。這里受控開關S1、S2、S3、S4都包含在IC 內部，它們的動作次序和在某一狀態(tài)停留的時間是由內部邏輯電路控制的；只有電容是外接的。

圖8 開關電容式變換器的原理圖

　　假定電路按兩相工作。在第一相，受控開關S₁、S₂閉合，S₃、S₄打開，此時輸入電壓對電容C₁充電，其極性為左正右負，大小與輸入電壓相同。輸出則由原來儲存電荷的電容CO對LED 放電，使之發(fā)光。接著，在第二相，受控開關S₁、S₂打開，S₃、S₄閉合，輸入電壓與電容C₁電壓相疊加，如認為在開關S3、S4閉合期間電容的電壓變化很小，則在輸出電容C_O上得到的電壓將是輸入電壓的2 倍。將輸出電壓與輸入電壓之比稱為倍增因子，則此電路的倍增因子等于2.輸出電壓為負載LED 提供電流I_O,由能量守恒定律，輸入電壓為輸出電壓之半，所以輸入端的平均電流應等于輸出電流I_O的2 倍。這種二倍壓的情況和通常熟知的倍壓整流電路將輸入電壓提升1 倍的情況極為相似。

　　一般開關信號的占空比為50% 時，電荷轉移的效率最高。

　　3. 2 輸出電壓紋波之計算

　　如在IC 控制下，輸出電壓供給LED 使之發(fā)光的電流是恒定的IO,即CO以恒定電流放電，則它的輸出電壓將線性下降，按占空比為50% 計算，總的輸出紋波電壓的峰- 峰值為：

　　ΔV_O= Q /C_O= T × I_O/2C_O= I_O/ （2C_Of_sw）（11）

　　可見，要減少紋波電壓，必須提高開關頻率fsw或增加輸出電容C_O值。在一定的紋波電壓下，如采用較高的頻率，則允許采用較小的輸出電容。一般開關電容升壓型變換器都用小型的X5R 或X7R 型陶瓷電容，其ESR（ 等效串聯(lián)電阻） 和尺寸均較小，占用空間不大，價格比電感便宜得多，故成本較低。

　　像倍壓整流電路一樣，這種電路的輸出電壓V_O隨輸出電流I_O的增加而減少，如式（12） 所示。

　　V_O= 2V_IN- I_O× R_O（12）

　　式中，R_O為電路的等效輸出電阻，與所用的開關的串聯(lián)電阻、電容C₁、C₀的等效串聯(lián)電阻（ESR） 的大小有關。為提高其電壓調整率，使輸出電壓不隨輸出電流的增加下降很多，應盡量選用ESR 小、電容量大的電容、導通電阻小的開關管，并提高開關頻率。減少這些電阻，可以減小輸出電阻R_O的值，改善電路的輸出特性。

　　開關電容式變換器由于省去了電感升壓型變換器中的電感，故體積和成本均比較低，輸入端的電磁輻射也較低，只需用小型的電容即可濾除。

　　3. 3 多種倍增輸出的開關電容式變換器的工作原理

　　利用更多的受控開關和電容，改變輸出電壓與輸入電壓之比，并在供電電池使用過程中，隨著電池電壓的降低，自動地依次改變電路的倍增因子，使其由小到大變化，就能保證在電池電壓下降時，有足夠高的輸出電壓來驅動LED.此時，電壓倍增的原理圖如圖9 所示。

圖9 多種倍增輸出的開關電容式變換器原理電路