高效率升壓型DC-DC轉換器設計

許 佳

（西安機電信息技術研究所，陜西 西安 710065）

0 引 言

小型化遙測系統內部電池的輸出電壓通常要小于遙測系統中大部分核心部件的正常工作電壓，在這樣的情況下就需要具有升壓功能的電源系統。開關電源具有多樣變換電壓、重量輕以及轉換效率高等優點，因此在小型化遙測供電系統中具有重要作用。由于小型化遙測系統的空間和重量受到限制，其電池容量有限，而且電池輸出電壓偏低，為了解決這一問題，保證系統的正常運行，延長其運行時間，進行高效率的升壓式DC-DC變換器的研究具有重要意義[1]。

1 Boost 型轉換器的功率損耗源分析及降低功率損耗的技術

高效率升壓型DC-DC設計的主要目的是提高DC-DC轉換器的效率。在開展這一工作前，需要明確其功率的損耗來源，然后根據其損耗來源制定出針對性的措施來降低損耗，從而有效提高DC-DC轉換器的效率。

1.1 功率損耗源分析

Boost 型轉換器的功率損耗源主要包括導通損耗、驅動損耗、靜態損耗、開關損耗以及體二極管導通損耗等，在不同負載的情況下，這些損耗的大小是變化的，占總損耗的比重也不斷變化，因此為了提高轉換效率，在不同負載下需要有不同的側重地減小損耗，從而起到良好的降低損耗的效果。

（1）導通損耗。為負載供電時，電流在流經具有電阻性的元件時，會產生功率的損耗，即為導通損耗。

（2）驅動損耗。在系統運行時，需要控制功率開關管的導通和關斷，在這個過程中會發生損耗，即為驅動損耗。

（3）開關損耗。在控制開關功率管的導通和關斷的過程中也會產生損耗，即開關損耗。

（4）體二極管導通損耗。對于開關功率管，其具有體效應二極管，在死區時間，電感電流需要通過體二極管實現續流，這個過程產生的損耗稱為體二極管導通損耗。

（5）靜態損耗。轉換器中的控制模塊在運行過程中也會產生損耗，這部分損耗被稱為靜態損耗[2]。

1.2 提高效率的技術

針對DC-DC轉換器的功率損耗原因，可以采取針對性的技術，來降低功率的損耗，從而提高轉換器的效率。當前，常用提高效率的技術包括同步整流技術、多模式工作技術、不同尺寸開關管并聯技術、動態改變驅動電壓技術、同步整流的死區時間控制技術以及減少各模塊靜態電流技術等。

（1）同步整流技術。應用P型功率管來代替整流二極管，通過應用導通電阻小、壓降小的特點，可以降低導通電阻帶來的損耗。

（2）多模式工作方式。采用PWM在高負載時效率高，PFM在低負載時工作效率高，根據功率實現工作模式的切換，可以提高全負載范圍內轉換器的效率。

（3）不同尺寸開關管并聯技術。并聯不同尺寸的開關管，根據不同負載進行開啟，可以降低損耗。

（4）動態改變驅動電壓。導通損耗和驅動損耗是轉換器中最大的兩個損耗來源，而且存在一個驅動電壓可以使驅動損耗和導通損耗總和最小，因此通過動態改變驅動電壓可以降低驅動損耗和導通損耗總和。

（5）同步整流的死區時間控制。通過實現精確的死區時間控制，可以防止由于死區時間過長或者過短而造成的損耗。

（6）減少各模塊的靜態電流。在待機或者是負載比較小的情況下，各模塊的靜態電流損耗就會成為主要的損耗來源，影響效率。小型化遙測系統處于待機狀態時，靜態電流損耗成為其主要消耗，因此減少靜態電流，提高待機時的效率非常重要。通常采取在待機狀態或者輕載狀態下，將不工作的模塊關斷的方式來降低靜態電流。

2 高效率升壓型DC-DC轉換器設計

本文應用了同步整流技術進行設計，聯合多個不同尺寸的開關管，基于負載的大小來選擇導通相應大小尺寸的開關管，還采用了雙模自動切換技術，進行了高效率升壓型DC-DC轉換器的設計，并對其關鍵部分的硬件設計進行了分析。

2.1 系統整體功能

本文設計的高效率Boost型轉換器是一種能夠在全負載范圍內實現高效率的轉換器，該轉換器的主要參數如表1中所示。

表1 轉換器的主要參數

其能夠給小型化遙測系統的編碼器和發射機提供恒定的直流電壓。轉換器應用了峰值電流，同時應用了并聯多個不同尺寸開關管的技術，能夠根據負載的大小來進行選擇性的導通，實現高效的控制。其具有PWM和PFM兩種工作模式，當負載比較小時能夠自動切換到PFM模式下，同時設計了軟啟動的功能，從而使其具備防止啟動時因電感出現的浪涌電流及輸出電壓的瞬時升高導致元器件的損毀的能力。

2.2 系統的整體設計

2.2.1 系統整體設計介紹

本文設計的是一種主要應用于小型化遙測系統的高效率Boost型轉換器，基于小型化遙測系統的實際需要，其負載電流需要在輕載和重載之間變化。例如，發射機會在大小功率之間進行切換。因此對于系統提出了更高的要求，要求在各種狀態下都能夠具有較高的效率。在PWM的模式下，DC-DC轉換器的驅動損耗和開關損耗不會隨著復雜電流的變化而發生變化，但是在輕載的工作狀態下，這部分損耗和輸出功率相當，導致此時的工作效率比較低，如果轉換器在輕載工作模式下的工作時間比較長，則其工作效率會直接決定電池的使用時間。因此，為了使轉換器在各種狀態下都能夠保持較高的效率，需要采用降低輕載狀態下開關頻率的方式來降低開關的頻率，從而使其驅動消耗和開關頻率都降低，使系統的電源效率得到提升。通過應用并聯不同尺寸開關管的技術，可以根據負載的大小調整開關管的導通情況，從而實現降低開關頻率的目的。通過這樣的設計，可以使轉換器在全負載范圍內的效率都得到提升，從而延長電池的使用時間[3]。

基于以上論述，在本文的設計中應用同步整流技術，結合并聯不同大小尺寸的開關管技術來進行設計，并且應用了PWM/PFM雙模式自動切換技術，系統整體框架如圖1所示。

圖1 系統的整體框架

2.2.2 系統的工作原理分析

當系統開始上電，軟啟動模式會進行動作，開啟參考電壓，使電壓緩慢上升，從而使電感電流和輸出電壓都開始緩慢上升，并且達到穩態。當電感電流和輸出電壓達到穩態以后，控制環路能夠對輸出電壓進行動態的檢測，發現其發生的變化，然后將變化電壓經過分壓網絡進行分壓以后，輸入到誤差放大器的反向輸入端。誤差放大器將此電壓進行放大，并且可以和基礎電壓進行比對，得到差值，即為誤差信號VEA。PWM比較器比較經補償后的采樣電感電流信號與誤差信號VEA，可以得到關斷開關管的信號。基于邏輯電路，調節脈沖的寬度，對輸出電壓進行控制，使其保持為一定值。同時，輸出的誤差信號VEA會輸入到開關管選擇比較器。由于該誤差信號和負載電流之間呈現出正比的關系，因此能夠基于負載電流的大小對開關管進行控制，使導通的開關管和實際需求匹配。通過VEA可以實現WM/PFM雙模式調制的切換，從而有效提高轉換器的效率[4]。

2.2.3 系統各模塊功能

本文設計的高效率Boost型轉換器主要具有以下模塊，分別是基準電壓源模塊、振蕩器、誤差放大器、PWM比較器、電流限制比較器、開關管選擇比較器、電流采樣模塊、軟啟動模塊、PWM/PFM 自動切換模塊和Level-shift模塊，下面對各模塊的功能進行介紹。

（1）基準電壓源模塊。提供參考電壓，誤差放大器和其他模塊以基準電壓作為參考，基準電壓基本不會隨電壓電壓以及溫度等的變化而發生變化。

（2）誤差放大器。反饋電路中的重要模塊，能夠對采樣輸出電壓和基準電壓之間的誤差值進行放大。

（3）PWM比較器。主要功能是對采用的電感電流信號和誤差信號進行比對，然后根據比對結果對控制開關動作的脈沖寬度進行調制，從而實現輸出電壓的控制。

（4）電流限制比較器。PFM模式下能夠實現電感峰值電流的控制，使其保持為固定值，具體的控制方式是比較電感電流信號和設定的固定電流值，并基于其對控制開關的關斷實現對電感峰值電流的控制[5]。

（5）開關管選擇比較器。其能夠基于實際的負載情況，對開關管的導通情況進行控制。

（6）振蕩器。提供1 MHz頻率的時鐘信號，并且產生電感電流下降斜率一半的斜坡補償信號。

（7）電流采樣模塊。采集電感電流，并將其轉化為電壓，通過采樣主開關的電流來間接實現電感電流采集。

（8）軟啟動模塊。實現系統的軟啟動，在系統啟動過程中可以提供隨著時間而緩慢上升的參考電壓，這樣能夠避免電感出現浪涌電流，同時可以防止出現輸出電壓瞬時升高的情況，對系統起到保護作用。

（9）PWM/PFM 自動切換模塊。基于負載實現系統模式的自動切換。

（10）電流倒流檢測模塊。主要作用是避免出現輸出端電流往電感方向倒流的情況。在實際運行過程中，當系統處于DCM工作模式時，若電感電流下降為0，則其將PMOS開關管關閉，從而實現上述功能。

（11）Level-shift模塊。其能夠提升PMOS開關管的驅動電壓，達到和輸出電壓相等，從而實現該開關管的徹底關斷。

3 結 論

本文應用了同步整流技術，聯合多個不同尺寸的開關管，基于負載的大小來選擇導通相應大小尺寸的開關管，還采用了雙模自動切換技術，設計了一個高效率升壓型DC-DC轉換器。該轉換器主要包括基準電壓源模塊、振蕩器、誤差放大器、PWM比較器、電流限制比較器、開關管選擇比較器、電流采樣模塊、軟啟動模塊、PWM/PFM自動切換模塊和Level-shift模塊，有效提升了輕度和超輕度負載下的效率，使其效率超過了80%，同時兼顧了重度負載和重度負載下的效率，有效延長了電池的使用時間，提升了遙測系統的工作時間。