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運(yùn)用DC-DC降壓/升壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電壓

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DC-DC開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的作用是將一個(gè)直流電壓高效地轉(zhuǎn)換成其他電壓值。高效率DC-DC轉(zhuǎn)換器采用三項(xiàng)基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：Buck(降壓型)、Boost(升壓型)和Buck/Boost(降壓/升壓型)。Buck(降壓轉(zhuǎn)換器)用于產(chǎn)生較低的直流輸出電壓，Boost(升壓轉(zhuǎn)換器)用于產(chǎn)生較高的直流輸出電壓，Buck/Boost(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(diǎn)介紹如何成功應(yīng)用降壓/升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。

DC-DC；降壓/升壓；調(diào)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(shí)的4.2V。系統(tǒng)IC需要1.8V、3.3V、和3.6V的電壓，以實(shí)現(xiàn)最佳工作狀態(tài)。鋰離子電池開(kāi)始工作時(shí)的電壓為4.2V，結(jié)束工作時(shí)的電壓為3.0V，降壓/升壓調(diào)節(jié)器可以提供3.3V的恒定輸出電壓，而降壓調(diào)節(jié)器或低壓差(LDO)調(diào)節(jié)器則可在電池放電時(shí)提供1.8V的電壓。理論上，當(dāng)電池電壓高于3.5V時(shí)，可使用降壓調(diào)節(jié)器或LDO產(chǎn)生3.3V電壓，但當(dāng)電池電壓降至3.5V以下時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)停止工作。允許系統(tǒng)預(yù)先關(guān)閉會(huì)減少電池需要重新充電前的系統(tǒng)工作時(shí)間。

2.降壓/升壓調(diào)節(jié)器

降壓/升壓調(diào)節(jié)器包括四個(gè)開(kāi)關(guān)、兩個(gè)電容和一個(gè)電感，如圖2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(shí)，只要主動(dòng)操作其中兩個(gè)開(kāi)關(guān)，就可以降低損耗、提高效率。

當(dāng)VIN大于VOUT時(shí)，開(kāi)關(guān)C斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)D閉合。開(kāi)關(guān)A和開(kāi)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3所示。

當(dāng)VIN小于VOUT時(shí)，開(kāi)關(guān)B斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)A閉合。開(kāi)關(guān)C和開(kāi)關(guān)D的工作方式和在升壓調(diào)節(jié)器中一樣，如圖4所示。最困難的工作模式是當(dāng)VIN處于VOUT±10%范圍內(nèi)時(shí)，此時(shí)調(diào)節(jié)器會(huì)進(jìn)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(huì)在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)發(fā)生。會(huì)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。

對(duì)于高負(fù)載電流，降壓/升壓調(diào)節(jié)器采用電壓或電流模式、固定頻率脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制，以獲得出色的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)。為確保便攜式應(yīng)用的電池壽命最長(zhǎng)，還采用了省電模式，它在輕載時(shí)可降低開(kāi)關(guān)頻率。對(duì)于無(wú)線應(yīng)用和其它低噪聲應(yīng)用，可變頻率省電模式可能會(huì)引起干擾，通過(guò)增加邏輯控制輸入，可強(qiáng)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。

3.降壓/升壓調(diào)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(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 VIN>VOUT時(shí)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(huì)從滿充狀態(tài)時(shí)的4.2V開(kāi)始工作，緩慢放電至3.0V。當(dāng)電池輸出降至3.0V以下時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)關(guān)閉，防止電池因過(guò)度放電而受損。而當(dāng)采用低壓差調(diào)節(jié)器產(chǎn)生3.3V電壓軌時(shí)，假設(shè)壓差是0.2V，系統(tǒng)會(huì)在：VIN MIN=VOUT+VDROPOUT=3.3V+0.2V=3.5V時(shí)關(guān)斷，此時(shí)只用了電池所存儲(chǔ)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(shí)際電池電壓。ADP2503和ADP2504(參見(jiàn)“降壓/升壓DC-DC開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，工作時(shí)的輸入電壓可高于、低于或等于穩(wěn)壓輸出電壓。電源開(kāi)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(guò)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(chǔ)的電能，增加了電池需要重新充電前的系統(tǒng)工作時(shí)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(shí)會(huì)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(huì)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(guān)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(shí)間。

4.降壓/升壓調(diào)節(jié)器主要規(guī)格和定義

4.1 輸出電壓范圍選項(xiàng)

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(guò)外部電阻分壓設(shè)置。

4.2 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(jìn)行確定，包括開(kāi)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(shí)，最好檢查特定工作電壓和負(fù)載電流下的工作效率。

4.3 關(guān)斷電流

關(guān)斷電流是使能引腳禁用時(shí)器件消耗的輸入電流，低IQ對(duì)于電池供電器件在休眠模式下能否長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)很重要。在邏輯控制的關(guān)斷期間，輸入與輸出斷開(kāi)，從輸入源汲取的電流小于1μA，這就是關(guān)斷電流。

4.4 軟啟動(dòng)

具有軟啟動(dòng)功能很重要，輸出電壓以可控方式緩升，從而避免啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)輸出電壓過(guò)沖現(xiàn)象。

4.5 開(kāi)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500kHz到3MHz。開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，所用的電感可以更小，這樣可以減少PCB面積，但開(kāi)關(guān)頻率每增加一倍，效率就會(huì)降低大約2%。

4.6 熱關(guān)斷(TSD)

當(dāng)結(jié)溫超過(guò)規(guī)定的限值時(shí)，熱關(guān)斷電路就會(huì)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(hù)電路存在遲滯，因此，發(fā)生熱關(guān)斷后，器件會(huì)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)。

5.降壓/升壓DC-DC開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，工作時(shí)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(kāi)關(guān)和同步整流器，所需的外部器件數(shù)量較少。對(duì)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(zhǎng)，這些器件還提供省電模式選項(xiàng)，在輕負(fù)載條件下可降低開(kāi)關(guān)頻率。對(duì)于無(wú)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(huì)引起干擾，而通過(guò)邏輯控制輸入sync管腳，則可強(qiáng)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2.3V至5.5V的輸入電壓工作，對(duì)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(hào)可供選擇，也可采用可調(diào)型號(hào)，通過(guò)外部電阻分壓對(duì)輸出電壓進(jìn)行設(shè)置。此外，還內(nèi)置補(bǔ)償功能，最大程度地減少外部元件的數(shù)量。

6.結(jié)論

低功耗降壓/升壓調(diào)節(jié)器憑借成熟可靠的性能與深入有力的支持，使DC-DC開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單。有關(guān)ADP2503/ADP2504詳細(xì)資料可以查閱ADI調(diào)節(jié)器選型指南、數(shù)據(jù)手冊(cè)。ADIsimPower?設(shè)計(jì)工具可以簡(jiǎn)化最終用戶的任務(wù)。

[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.