如何設(shè)計(jì)升壓調(diào)壓器

在這一系列的文章中，我們將研究在電子項(xiàng)目中可能使用的主要類(lèi)型的功率調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。我給了一個(gè)研究生工程師一系列的要求，我指導(dǎo)他演示了每一種類(lèi)型，并在這里記錄了結(jié)果，這樣你就可以通過(guò)同樣的練習(xí)，希望得到同樣的結(jié)果。

對(duì)于下一個(gè)開(kāi)關(guān)電源項(xiàng)目，從我的項(xiàng)目想法為學(xué)生工程師文章，要求有點(diǎn)不同。這一次，我的研究生工程師不得不設(shè)計(jì)一種可以提高電壓的電壓調(diào)節(jié)器。對(duì)于這類(lèi)任務(wù)，可以說(shuō)，最流行的設(shè)計(jì)選擇是使用DC-DC升壓變換器。

我對(duì)這個(gè)設(shè)計(jì)的要求是：

• 輸入電壓1.0~3.5V

• 輸出電壓5.0 V

• 輸出電流100mA

你會(huì)看到，DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與buck變換器不同，而且大多數(shù)情況下，它們與電池供電的設(shè)備一起使用。大多數(shù)情況下，電池所能提供的電壓不足以為大多數(shù)集成電路供電，因此需要提高電壓。

一個(gè)最常見(jiàn)的例子是當(dāng)你需要使用一個(gè)或兩個(gè)非常常見(jiàn)的AA，AAA大小的電池，或者可能是單電池鋰離子或鋰聚合物電池。通常，您設(shè)計(jì)的集成電路需要5伏直流電源才能正常工作。一個(gè)簡(jiǎn)單的齊納二極管或串聯(lián)或并聯(lián)線(xiàn)性穩(wěn)壓器將能夠做到這一點(diǎn)。

開(kāi)關(guān)升壓電源的目的是當(dāng)設(shè)備由單個(gè)AA、AAA、AAAA、B、C或D尺寸的電池或兩個(gè)這樣的電池串聯(lián)供電時(shí)，能夠提供5v的輸出電壓。這些電池通常每個(gè)電池提供1.5伏電壓，當(dāng)兩個(gè)電池串聯(lián)時(shí)提供3伏電壓。由這種電池供電的設(shè)備不會(huì)使用大量的電流，因此具有100毫安的輸出電流能力應(yīng)該足以滿(mǎn)足大多數(shù)典型應(yīng)用。

一個(gè)DC-DC升壓調(diào)節(jié)器IC是我的研究生工程師在我的監(jiān)督下精心挑選的。所選DC-DC升壓調(diào)節(jié)器IC為模擬器件LTC3429。

LTCDC-3429升壓調(diào)節(jié)器

LTC3429組件是一種高效率的500kHz可調(diào)輸出電壓升壓轉(zhuǎn)換器。該變換器規(guī)定的工作輸入電壓范圍為0.5V～4.4V，與設(shè)計(jì)規(guī)定的輸入電壓相匹配。該調(diào)節(jié)器的輸出電壓可從2.5伏調(diào)節(jié)到4.3伏。然而，如果增加一個(gè)肖特基二極管，輸出電壓可以增加到5v。

選擇這種特殊的升壓調(diào)節(jié)器是因?yàn)樗鼘?duì)指定的輸出電流（高達(dá)96%）具有很高的效率。但缺點(diǎn)是，這種調(diào)節(jié)器可能相當(dāng)昂貴，訂購(gòu)少量產(chǎn)品時(shí)單價(jià)只有幾美元。這種調(diào)節(jié)器也可以從Farnell、Mouser、Arrow等公司獲得，大部分的模擬器件集成電路價(jià)格都比較高；然而，他們的產(chǎn)品質(zhì)量很高，我相信這使投資是值得的。

此外，您還將看到該調(diào)節(jié)器具有有用的附加功能，例如：

1. 低壓?jiǎn)?dòng)-此調(diào)節(jié)器可在電源電壓低至0.85 V時(shí)開(kāi)啟。這意味著，如果電源電池放電至低于0.85 V，則該調(diào)節(jié)器有可能無(wú)法啟動(dòng)。然而，我們的設(shè)計(jì)要求最小輸入電壓為1V，這已經(jīng)足夠了。

2. 軟啟動(dòng)-此功能可防止調(diào)節(jié)器在電源（電池）連接到設(shè)備時(shí)開(kāi)啟輸出電壓2.5毫秒。這種軟啟動(dòng)功能允許調(diào)節(jié)器的振蕩器在開(kāi)始作為開(kāi)關(guān)電源工作之前穩(wěn)定在正確的頻率。

3. 防振鈴控制-此功能可防止SW引腳發(fā)生高頻振鈴，從而將調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的EMI降至最低。

4. 短路保護(hù)-此功能允許電路短路而不損壞調(diào)節(jié)器。它立即以關(guān)閉集成電路的方式對(duì)內(nèi)部電容放電，從而保護(hù)調(diào)節(jié)器和電路。

你會(huì)看到，原理圖的設(shè)計(jì)不像大電流DC-DC buck控制器那樣具有挑戰(zhàn)性，它能夠輸出6 A。這種設(shè)計(jì)是針對(duì)低電流電池供電的應(yīng)用，因此元件選擇沒(méi)有那么嚴(yán)格。您可以從下面的數(shù)據(jù)表中看到電路設(shè)計(jì)建議：

DC-DC升壓變換器LTC3429方案設(shè)計(jì)

大多數(shù)的設(shè)計(jì)決策都是直接從原理圖中做出的。

作為第一步，使用數(shù)據(jù)表中提供的以下公式計(jì)算輸出電壓反饋電阻器：

選擇高電阻值以確保輕負(fù)載下的良好效率。

反饋電阻值與效率的關(guān)系

值為255 k? 選擇R2，然后使用下面的公式計(jì)算R1電阻的值。

由于這不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的分量值，一個(gè)更典型的768K? 選擇R1電阻的值。

輸出電壓反饋電阻器

在本設(shè)計(jì)中，輸入和輸出電容選擇的可變性較大。由于輸入和輸出的電流都不高，電容器的最大電流值并不重要。

應(yīng)使用低電阻多層陶瓷電容器以減小輸出紋波。建議使用標(biāo)記為X5R或X7R的電容器。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，輸出電容值在4.7 uF到15 uF之間就足夠了。選擇了電容值為22 uF的輸出電容器，因?yàn)樗翘峁O低輸出電壓紋波和改善瞬態(tài)響應(yīng)的推薦值。

對(duì)于輸入電容器的選擇，還需要一個(gè)低ESR電容器，以最小化任何輸入開(kāi)關(guān)噪聲，并減少?gòu)碾姵叵牡姆逯惦娏?。由于這種電池以其低噪音而聞名，一個(gè)10毫伏的電容器幾乎可以滿(mǎn)足任何應(yīng)用。

請(qǐng)記住，輸入電容器的直流電壓額定值可以低至4V或6.3V，因?yàn)檩斎腚妷合鄬?duì)較低。但是，建議輸出電容器使用至少兩倍的直流電壓額定值。陶瓷電容器具有直流偏壓效應(yīng)，在特定電壓下可以顯著降低電容。

使用數(shù)據(jù)表中提供的下圖獲取電感器值：

基于90%效率的最大輸出電流與電感

我們選擇了一個(gè)相當(dāng)高的電感為22uh的電感器，因?yàn)槲覀兿朐谒璧妮敵鲭娏飨卤３终{(diào)節(jié)器的效率。

選擇的電感器是TDK通用電感器，SLF7032T-220MR96-2PF元件，能夠處理所需的輸出電流，即使是小批量購(gòu)買(mǎi)，成本也很低。

至于肖特基二極管，它需要產(chǎn)生所需的5V輸出電壓，選擇了數(shù)據(jù)表建議中確定的半導(dǎo)體上的MBR0520L元件。這種二極管沒(méi)那么貴，幾美分就能買(mǎi)到。

反向關(guān)機(jī)引腳（SHDN）必須拉到VIN，因?yàn)槲覀儧](méi)有任何外部控制器或管理IC來(lái)控制調(diào)節(jié)器。我們希望它能工作時(shí)，任何電源在可接受的輸入電壓范圍內(nèi)被應(yīng)用。

選擇的連接器是伍爾特公司0022722021。這些都是便宜的和相當(dāng)實(shí)用的，因?yàn)槟悴荒馨阉鼈冨e(cuò)誤地連接起來(lái)。

Wurth Electronik 002272021連接器

但是，您可以選擇任何您喜歡的連接器。作為設(shè)備設(shè)計(jì)的一部分，你可以使用這些電池插座，這意味著你的電池已經(jīng)串聯(lián)起來(lái)了。有1個(gè)，2個(gè)，3個(gè)或4個(gè)電池的插座（如果需要的話(huà)，甚至更多），每個(gè)插座都要幾美分。

電池插座示例

下面您可以看到完全設(shè)計(jì)的LTC3429升壓轉(zhuǎn)換器原理圖。

LTC3429升壓轉(zhuǎn)換器原理圖。

至于PCB設(shè)計(jì)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)盡可能短的電流回路。參考數(shù)據(jù)表提供的以下設(shè)計(jì)：

數(shù)據(jù)表中的PCB布局

首先，元件放置是為了確保緊湊的PCB設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)較小的電路板面積，因?yàn)檫@是針對(duì)低電流應(yīng)用的。

PCB元件放置

作為第二步，PCB被手動(dòng)布線(xiàn)以仔細(xì)跟蹤電流回路。這有助于您了解當(dāng)前環(huán)路的設(shè)計(jì)是否可以改進(jìn)：

PCB手動(dòng)布線(xiàn)

第三步，將多邊形和平面添加到設(shè)計(jì)中：

添加多邊形的PCB頂層設(shè)計(jì)

添加多邊形的PCB設(shè)計(jì)底層

PCB設(shè)計(jì)上顯示的輸入和輸出電流回路：

最后，完成的緊湊型DC-DC升壓變換器的三維設(shè)計(jì)：

在這些電子設(shè)計(jì)課程中，升壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)是一個(gè)新的步驟。許多設(shè)備，特別是便攜式和電池供電的設(shè)備，使用升壓轉(zhuǎn)換器將電源電壓提高到集成電路供電所需的水平。大多數(shù)集成電路在僅提供1.5V或3V電壓時(shí)無(wú)法維持其工作。

乍一看，這似乎是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，但仍有一些因素需要設(shè)計(jì)師考慮。市場(chǎng)給了設(shè)計(jì)師從成千上萬(wàn)個(gè)不同的升壓轉(zhuǎn)換器中選擇的能力，所以選擇正確的一個(gè)可能并不容易。

如您所見(jiàn)，boost變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也與buck變換器有很大的不同。PCB的設(shè)計(jì)也會(huì)有所不同。然而，從根本上考慮是相同的；設(shè)計(jì)者需要盡量使輸入和輸出電流回路盡可能短，以減少電源輻射的電磁干擾。

由于有更多不同的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器拓?fù)淇赡?，這一個(gè)將是下一步的電源設(shè)計(jì)。