運用DC-DC降壓/升壓調節(jié)器調節(jié)電壓

中共阜新市委信息中心 龍 力

運用DC-DC降壓/升壓調節(jié)器調節(jié)電壓

中共阜新市委信息中心 龍 力

DC-DC開關轉換器的作用是將一個直流電壓高效地轉換成其他電壓值。高效率DC-DC轉換器采用三項基本拓撲結構：Buck(降壓型)、Boost(升壓型)和Buck/Boost(降壓/升壓型)。Buck(降壓轉換器)用于產生較低的直流輸出電壓，Boost(升壓轉換器)用于產生較高的直流輸出電壓，Buck/Boost(降壓/升壓轉換器)則用于產生小于、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用降壓/升壓DC-DC轉換器。

DC-DC；降壓/升壓；調節(jié)器

1.概述

如圖1所示為采用單節(jié)的鋰離子電池供電的典型低功耗系統(tǒng)。電池的可用輸出范圍為放電以后的約3.0V到充滿電時的4.2V。系統(tǒng)IC需要1.8V、3.3V、和3.6V的電壓，以實現(xiàn)最佳工作狀態(tài)。鋰離子電池開始工作時的電壓為4.2V，結束工作時的電壓為3.0V，降壓/升壓調節(jié)器可以提供3.3V的恒定輸出電壓，而降壓調節(jié)器或低壓差(LDO)調節(jié)器則可在電池放電時提供1.8V的電壓。理論上，當電池電壓高于3.5V時，可使用降壓調節(jié)器或LDO產生3.3V電壓，但當電池電壓降至3.5V以下時，系統(tǒng)就會停止工作。允許系統(tǒng)預先關閉會減少電池需要重新充電前的系統(tǒng)工作時間。

2.降壓/升壓調節(jié)器

降壓/升壓調節(jié)器包括四個開關、兩個電容和一個電感，如圖2所示。目前的低功耗、高效率降壓/升壓調節(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，就可以降低損耗、提高效率。

當VIN大于VOUT時，開關C斷開，開關D閉合。開關A和開關B的工作方式和在標準降壓調節(jié)器中一樣，如圖3所示。

當VIN小于VOUT時，開關B斷開，開關A閉合。開關C和開關D的工作方式和在升壓調節(jié)器中一樣，如圖4所示。最困難的工作模式是當VIN處于VOUT±10%范圍內時，此時調節(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)會在一個開關周期內發(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。

對于高負載電流，降壓/升壓調節(jié)器采用電壓或電流模式、固定頻率脈沖寬度調制(PWM)控制，以獲得出色的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應。為確保便攜式應用的電池壽命最長，還采用了省電模式，它在輕載時可降低開關頻率。對于無線應用和其它低噪聲應用，可變頻率省電模式可能會引起干擾，通過增加邏輯控制輸入，可強制轉換器在所有負載條件下均以固定頻率PWM方式工作。

3.降壓/升壓調節(jié)器提高系統(tǒng)效率

圖1 典型低功耗便攜式系統(tǒng)

圖2 降壓/升壓轉換器拓撲結構

圖3 VIN>VOUT時的降壓模式

圖4 VIN

如今的很多便攜式系統(tǒng)都采用單節(jié)鋰離子充電電池供電。電池會從滿充狀態(tài)時的4.2V開始工作，緩慢放電至3.0V。當電池輸出降至3.0V以下時，系統(tǒng)就會關閉，防止電池因過度放電而受損。而當采用低壓差調節(jié)器產生3.3V電壓軌時，假設壓差是0.2V，系統(tǒng)會在：VIN MIN=VOUT+VDROPOUT=3.3V+0.2V=3.5V時關斷，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開關轉換器工作于2.5MHz頻率”部分)均為高效率、600mA(ADP2503)和1000mA(ADP2504)、低靜態(tài)電流、降壓/升壓DC-DC轉換器，工作時的輸入電壓可高于、低于或等于穩(wěn)壓輸出電壓。電源開關管采用內置形式，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3.0V，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3.0V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閉。而降壓/升壓解決方案可以承受的電壓擺幅低至2.3V，有助于維持系統(tǒng)潛在的工作時間。

4.降壓/升壓調節(jié)器主要規(guī)格和定義

4.1 輸出電壓范圍選項

降壓/升壓調節(jié)器提供額定的固定輸出電壓，或者提供可調輸出，允許通過外部電阻分壓設置。

4.2 地電流或靜態(tài)電流

地電流是不用于負載的直流偏置電流(IQ)。IQ越低，效率越高，然而，IQ要根據(jù)許多條件進行確定，包括開關管關斷、零負載、脈沖頻率調制(PFM)和脈沖寬度調制(PWM)工作模式。因此，在確定應用的最佳升壓調節(jié)器時，最好檢查特定工作電壓和負載電流下的工作效率。

4.3 關斷電流

關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。在邏輯控制的關斷期間，輸入與輸出斷開，從輸入源汲取的電流小于1μA，這就是關斷電流。

4.4 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。

4.5 開關頻率

低功耗降壓/升壓轉換器的工作頻率范圍一般是500kHz到3MHz。開關頻率較高時，所用的電感可以更小，這樣可以減少PCB面積，但開關頻率每增加一倍，效率就會降低大約2%。

4.6 熱關斷(TSD)

當結溫超過規(guī)定的限值時，熱關斷電路就會關閉調節(jié)器。一直較高的結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)生熱關斷后，器件會在片內溫度降至低于預設限值后才返回正常工作狀態(tài)。

5.降壓/升壓DC-DC開關轉換器工作于2.5MHZ頻率

ADP2503和ADP2504均為高效率、低靜態(tài)電流、升壓/降壓DC-DC轉換器，工作時的輸入電壓可高于、低于或等于穩(wěn)壓輸出電壓。這兩種轉換器內置功率開關和同步整流器，所需的外部器件數(shù)量較少。對于高負載電流，這兩種器件采用電流模式、固定頻率脈沖寬度調制(PWM)控制方案，以便獲得出色的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應。為確保便攜式應用的電池使用壽命最長，這些器件還提供省電模式選項，在輕負載條件下可降低開關頻率。對于無線應用和其它低噪聲應用，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，則可強制轉換器在所有負載條件下均以固定頻率PWM方式工作。ADP2503和ADP2504可用于2.3V至5.5V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及其它標準電源均可為其供電。這兩種器件具有各種固定輸出的型號可供選擇，也可采用可調型號，通過外部電阻分壓對輸出電壓進行設置。此外，還內置補償功能，最大程度地減少外部元件的數(shù)量。

6.結論

低功耗降壓/升壓調節(jié)器憑借成熟可靠的性能與深入有力的支持，使DC-DC開關轉換器的設計變得簡單。有關ADP2503/ADP2504詳細資料可以查閱ADI調節(jié)器選型指南、數(shù)據(jù)手冊。ADIsimPower?設計工具可以簡化最終用戶的任務。

[1]Marasco,Ken.AN-1125 Application Note.How to Apply DC-to-DC Step-Down(Buck)Regulators.Analog Devices,Inc.,2011.

[2]Marasco,Ken.AN-1132 Application Note.How to Apply DC-to-DC Step-Up(Boost)Regulators.Analog Devices,Inc.,2011.

[3]Marasco,Ken.AN-1072 Application Note.How to Successfully Apply Low-Dropout Regulators.Analog Devices,Inc.,2010.

[4]http://www.analog.com/ADIsimPower.

[5]http://www.analog.com/power-management.

[6]http://www.analog.com/switching_controllers.

[7]http://www.analog.com/switching-regulators.