运用DC-DC降压/升压调节器调节电压

2012-06-01中共阜新市委信息中心

电子世界 2012年21期

中共阜新市委信息中心龙力

运用DC-DC降压/升压调节器调节电压

中共阜新市委信息中心龙力

DC-DC开关转换器的作用是将一个直流电压高效地转换成其他电压值。高效率DC-DC转换器采用三项基本拓扑结构：Buck(降压型)、Boost(升压型)和Buck/Boost(降压/升压型)。Buck(降压转换器)用于产生较低的直流输出电压，Boost(升压转换器)用于产生较高的直流输出电压，Buck/Boost(降压/升压转换器)则用于产生小于、大于或等于输入电压的输出电压。本文将重点介绍如何成功应用降压/升压DC-DC转换器。

DC-DC；降压/升压；调节器

1.概述

如图1所示为采用单节的锂离子电池供电的典型低功耗系统。电池的可用输出范围为放电以后的约3.0V到充满电时的4.2V。系统IC需要1.8V、3.3V、和3.6V的电压，以实现最佳工作状态。锂离子电池开始工作时的电压为4.2V，结束工作时的电压为3.0V，降压/升压调节器可以提供3.3V的恒定输出电压，而降压调节器或低压差(LDO)调节器则可在电池放电时提供1.8V的电压。理论上，当电池电压高于3.5V时，可使用降压调节器或LDO产生3.3V电压，但当电池电压降至3.5V以下时，系统就会停止工作。允许系统预先关闭会减少电池需要重新充电前的系统工作时间。

2.降压/升压调节器

降压/升压调节器包括四个开关、两个电容和一个电感，如图2所示。目前的低功耗、高效率降压/升压调节器在降压或升压模式下工作时，只要主动操作其中两个开关，就可以降低损耗、提高效率。

当VIN大于VOUT时，开关C断开，开关D闭合。开关A和开关B的工作方式和在标准降压调节器中一样，如图3所示。

当VIN小于VOUT时，开关B断开，开关A闭合。开关C和开关D的工作方式和在升压调节器中一样，如图4所示。最困难的工作模式是当VIN处于VOUT±10%范围内时，此时调节器会进入降压/升压模式。在降压/升压模式下，两种操作(降压和升压)会在一个开关周期内发生。会特别注意降低损耗、优化效率，以及消除由于模式切换造成的不稳定性。这么做的目标是保持电压稳定，使电感中的电流纹波降至最低，保证良好的瞬态性能。

对于高负载电流，降压/升压调节器采用电压或电流模式、固定频率脉冲宽度调制(PWM)控制，以获得出色的稳定性和瞬态响应。为确保便携式应用的电池寿命最长，还采用了省电模式，它在轻载时可降低开关频率。对于无线应用和其它低噪声应用，可变频率省电模式可能会引起干扰，通过增加逻辑控制输入，可强制转换器在所有负载条件下均以固定频率PWM方式工作。

3.降压/升压调节器提高系统效率

图1 典型低功耗便携式系统

图2 降压/升压转换器拓扑结构

图3 VIN>VOUT时的降压模式

图4 VIN

如今的很多便携式系统都采用单节锂离子充电电池供电。电池会从满充状态时的4.2V开始工作，缓慢放电至3.0V。当电池输出降至3.0V以下时，系统就会关闭，防止电池因过度放电而受损。而当采用低压差调节器产生3.3V电压轨时，假设压差是0.2V，系统会在：VIN MIN=VOUT+VDROPOUT=3.3V+0.2V=3.5V时关断，此时只用了电池所存储电能的70%。但如果采用降压/升压调节器(如ADP2503或ADP2504)，系统就可以持续工作到最小实际电池电压。ADP2503和ADP2504(参见“降压/升压DC-DC开关转换器工作于2.5MHz频率”部分)均为高效率、600mA(ADP2503)和1000mA(ADP2504)、低静态电流、降压/升压DC-DC转换器，工作时的输入电压可高于、低于或等于稳压输出电压。电源开关管采用内置形式，最大限度地减少了外部元件的数量，从而减少印刷电路板(PCB)的面积。通过这种方法，系统可以一直工作到3.0V，从而充分利用电池存储的电能，增加了电池需要重新充电前的系统工作时间。

为了节省便携式系统的电能，各种子系统(如微处理器、显示屏背光和功率放大器)不用时会在完全上电和休眠模式之间频繁切换，造成电池电源线路上较大的电压瞬变。这些瞬变会使电池输出电压快速降至3.0V以下，并触发低电量警告，为使系统在电池完全放电前关闭。而降压/升压解决方案可以承受的电压摆幅低至2.3V，有助于维持系统潜在的工作时间。

4.降压/升压调节器主要规格和定义

4.1 输出电压范围选项

降压/升压调节器提供额定的固定输出电压，或者提供可调输出，允许通过外部电阻分压设置。

4.2 地电流或静态电流

地电流是不用于负载的直流偏置电流(IQ)。IQ越低，效率越高，然而，IQ要根据许多条件进行确定，包括开关管关断、零负载、脉冲频率调制(PFM)和脉冲宽度调制(PWM)工作模式。因此，在确定应用的最佳升压调节器时，最好检查特定工作电压和负载电流下的工作效率。

4.3 关断电流

关断电流是使能引脚禁用时器件消耗的输入电流，低IQ对于电池供电器件在休眠模式下能否长时间待机很重要。在逻辑控制的关断期间，输入与输出断开，从输入源汲取的电流小于1μA，这就是关断电流。

4.4 软启动

具有软启动功能很重要，输出电压以可控方式缓升，从而避免启动时出现输出电压过冲现象。

4.5 开关频率

低功耗降压/升压转换器的工作频率范围一般是500kHz到3MHz。开关频率较高时，所用的电感可以更小，这样可以减少PCB面积，但开关频率每增加一倍，效率就会降低大约2%。

4.6 热关断(TSD)

当结温超过规定的限值时，热关断电路就会关闭调节器。一直较高的结温可能由工作电流高，电路板冷却不佳，或环境温度高等原因引起。保护电路存在迟滞，因此，发生热关断后，器件会在片内温度降至低于预设限值后才返回正常工作状态。

5.降压/升压DC-DC开关转换器工作于2.5MHZ频率

ADP2503和ADP2504均为高效率、低静态电流、升压/降压DC-DC转换器，工作时的输入电压可高于、低于或等于稳压输出电压。这两种转换器内置功率开关和同步整流器，所需的外部器件数量较少。对于高负载电流，这两种器件采用电流模式、固定频率脉冲宽度调制(PWM)控制方案，以便获得出色的稳定性和瞬态响应。为确保便携式应用的电池使用寿命最长，这些器件还提供省电模式选项，在轻负载条件下可降低开关频率。对于无线应用和其它低噪声应用，省电模式的可变频率可能会引起干扰，而通过逻辑控制输入sync管脚，则可强制转换器在所有负载条件下均以固定频率PWM方式工作。ADP2503和ADP2504可用于2.3V至5.5V的输入电压工作，对于单节锂电池或锂聚合物电池、多节碱性电池或NiMH电池、PCMCIA、USB及其它标准电源均可为其供电。这两种器件具有各种固定输出的型号可供选择，也可采用可调型号，通过外部电阻分压对输出电压进行设置。此外，还内置补偿功能，最大程度地减少外部元件的数量。