導(dǎo)讀:DC-DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器的作用是將一個直流電壓高效的轉(zhuǎn)換成另一個,降壓轉(zhuǎn)換器用于產(chǎn)生較低的直流輸出電壓,升壓轉(zhuǎn)換器用于產(chǎn)生較高的直流輸出電壓,降壓/升壓轉(zhuǎn)換器則用于產(chǎn)生小于、大于或等于輸入電壓的輸出電壓。本文將重點介紹如何成功應(yīng)用降壓/升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。
降壓/升壓調(diào)節(jié)器包括四個開關(guān)、兩個電容和一個電感,如圖1所示。目前的低功耗、高效率降壓/升壓調(diào)節(jié)器在降壓或升壓模式下工作時,只要主動操作其中兩個開關(guān),就可以降低損耗、提高效率。當(dāng)VIN大于VOUT時,開關(guān)C斷開,開關(guān)D閉合。開關(guān)A和開關(guān)B的工作方式和在標(biāo)準(zhǔn)降壓調(diào)節(jié)器中一樣,如圖2所示。當(dāng)VIN小于VOUT時,開關(guān)B斷開,開關(guān)A閉合。開關(guān)C和開關(guān)D的工作方式和在升壓調(diào)節(jié)器中一樣,如圖3所示。最困難的工作模式是當(dāng)VIN處于VOUT ± 10%范圍內(nèi)時,此時調(diào)節(jié)器會進入降壓/升壓模式。在降壓/升壓模式下,兩種操作(降壓和升壓)會在一個開關(guān)周期內(nèi)發(fā)生。會特別注意降低損耗、優(yōu)化效率,以及消除由于模式切換造成的不穩(wěn)定性。這么做的目標(biāo)是保持電壓穩(wěn)定,使電感中的電流紋波降至最低,保證良好的瞬態(tài)性能。
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圖1 降壓、升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖2 VIN > VOUT時的降壓模式
圖3 VIN < VOUT時的降壓模式
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降壓/升壓調(diào)節(jié)器提高系統(tǒng)效率
如今的很多便攜式系統(tǒng)都采用單節(jié)鋰離子的充電電池供電。電池會從滿充狀態(tài)時的4.2 V開始工作,緩慢放電至3.0 V。當(dāng)電池輸出降至3.0 V以下時,系統(tǒng)就會關(guān)閉,防止電池因過度放電而受損。而當(dāng)采用低壓差調(diào)節(jié)器產(chǎn)生3.3 V電壓軌時,假設(shè)壓差是0.2 V,系統(tǒng)會在
時關(guān)斷,此時只用了電池所存儲電能的70%。但如果采用降壓/升壓調(diào)節(jié)器(如ADP2503或ADP2504),系統(tǒng)就可以持續(xù)工作到最小實際電池電壓。ADP2503和ADP2504(參見“降壓/升壓DC-DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器工作于2.5 MHz頻率”部分)均為高效率、600 mA (ADP2503)和1000 mA (ADP2504) 、低靜態(tài)電流、降壓/升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器,工作時的輸入電壓可高于、低于或等于穩(wěn)壓輸出電壓。電源開關(guān)管采用內(nèi)置形式,最大限度地減少了外部元件的數(shù)量,從而減少印刷電路板(PCB)的面積。通過這種方法,系統(tǒng)可以一直工作到3.0 V,從而充分利用電池存儲的電能,增加了電池需要重新充電前的系統(tǒng)工作時間。為了節(jié)省便攜式系統(tǒng)的電能,各種子系統(tǒng)(如微處理器、顯示屏背光和功率放大器)不用時會在完全上電和休眠模式之間頻繁切換,造成電池電源線路上較大的電壓瞬變。這些瞬變會使電池輸出電壓快速降至3.0 V以下,并觸發(fā)低電量警告,為使系統(tǒng)在電池完全放電前關(guān)閉。而降壓/升壓解決方案可以承受的電壓擺幅低至2.3 V,有助于維持系統(tǒng)潛在的工作時間。
降壓/升壓調(diào)節(jié)器主要規(guī)格和定義
輸出電壓范圍選項
降壓/升壓調(diào)節(jié)器提供額定的固定輸出電壓,或者提供可調(diào)輸出,允許通過外部電阻分壓設(shè)置。
地電流或靜態(tài)電流
地電流是不用于負(fù)載的直流偏置電流(IQ)。IQ越低,效率越高,然而,IQ要根據(jù)許多條件進行確定,包括開關(guān)管關(guān)斷、零負(fù)載、脈沖頻率調(diào)制(PFM)和脈沖寬度調(diào)制(PWM)工作模式。因此,在確定應(yīng)用的最佳升壓調(diào)節(jié)器時,最好檢查特定工作電壓和負(fù)載電流下的工作效率。
關(guān)斷電流
關(guān)斷電流是使能引腳禁用時器件消耗的輸入電流,低IQ對于電池供電器件在休眠模式下能否長時間待機很重要。在邏輯控制的關(guān)斷期間,輸入與輸出斷開,從輸入源汲取的電流小于1 A,這就是關(guān)斷電流。
軟啟動
具有軟啟動功能很重要,輸出電壓以可控方式緩升,從而避免啟動時出現(xiàn)輸出電壓過沖現(xiàn)象。
開關(guān)頻率
低功耗降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的工作頻率范圍一般是500 kHz到3 MHz。開關(guān)頻率較高時,所用的電感可以更小,這樣可以減少PCB面積,但開關(guān)頻率每增加一倍,效率就會降低大約2%。
熱關(guān)斷(TSD)
當(dāng)結(jié)溫超過規(guī)定的限值時,熱關(guān)斷電路就會關(guān)閉調(diào)節(jié)器。一直較高的結(jié)溫可能由工作電流高,電路板冷卻不佳,或環(huán)境溫度高等原因引起。保護電路存在遲滯,因此,發(fā)生熱關(guān)斷后,器件會在片內(nèi)溫度降至低于預(yù)設(shè)限值后才返回正常工作狀態(tài)。
降壓/升壓DC-DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器工作于2.5 MHZ頻率
ADP2503和ADP2504均為高效率、低靜態(tài)電流、升壓/降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器,工作時的輸入電壓可高于、低于或等于穩(wěn)壓輸出電壓。這兩種轉(zhuǎn)換器內(nèi)置功率開關(guān)和同步整流器,所需的外部器件數(shù)量較少。對于高負(fù)載電流,這兩種器件采用電流模式、固定頻率脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制方案,以便獲得出色的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)。為確保便攜式應(yīng)用的電池使用壽命最長,這些器件還提供省電模式選項,在輕負(fù)載條件下可降低開關(guān)頻率。對于無線應(yīng)用和其它低噪聲應(yīng)用,省電模式的可變頻率可能會引起干擾,而通過邏輯控制輸入sync管腳,則可強制轉(zhuǎn)換器在所有負(fù)載條件下均以固定頻率PWM方式工作。ADP2503和ADP2504可用于2.3 V至5.5 V的輸入電壓工作,對于單節(jié)鋰電池或鋰聚合物電池、多節(jié)堿性電池或NiMH
電池、PCMCIA、USB及其它標(biāo)準(zhǔn)電源均可為其供電。這兩種器件具有各種固定輸出的型號可供選擇,也可采用可調(diào)型號,通過外部電阻分壓對輸出電壓進行設(shè)置。此外,還內(nèi)置補償功能,最大程度地減少外部元件的數(shù)量。