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(tǒng)內(nèi)部電池的輸出電壓通常要小于遙測系統(tǒng)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(tǒng)。開關電源具有多樣變換電壓、重量輕以及轉換效率高等優(yōu)點，因此在小型化遙測供電系統(tǒng)中具有重要作用。由于小型化遙測系統(tǒng)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(tǒng)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(jù)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(tài)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(jīng)具有電阻性的元件時，會產(chǎn)生功率的損耗，即為導通損耗。

（2）驅動損耗。在系統(tǒng)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(fā)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(chǎn)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(qū)時間，電感電流需要通過體二極管實現(xiàn)續(xù)流，這個過程產(chǎn)生的損耗稱為體二極管導通損耗。

（5）靜態(tài)損耗。轉換器中的控制模塊在運行過程中也會產(chǎn)生損耗，這部分損耗被稱為靜態(tài)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(lián)技術、動態(tài)改變驅動電壓技術、同步整流的死區(qū)時間控制技術以及減少各模塊靜態(tài)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(jù)功率實現(xiàn)工作模式的切換，可以提高全負載范圍內(nèi)轉換器的效率。

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

（4）動態(tài)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(tài)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(qū)時間控制。通過實現(xiàn)精確的死區(qū)時間控制，可以防止由于死區(qū)時間過長或者過短而造成的損耗。

（6）減少各模塊的靜態(tài)電流。在待機或者是負載比較小的情況下，各模塊的靜態(tài)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(tǒng)處于待機狀態(tài)時，靜態(tài)電流損耗成為其主要消耗，因此減少靜態(tài)電流，提高待機時的效率非常重要。通常采取在待機狀態(tài)或者輕載狀態(tài)下，將不工作的模塊關斷的方式來降低靜態(tài)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(lián)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(tǒng)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(nèi)實現(xiàn)高效率的轉換器，該轉換器的主要參數(shù)如表1中所示。

表1 轉換器的主要參數(shù)

其能夠給小型化遙測系統(tǒng)的編碼器和發(fā)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(lián)多個不同尺寸開關管的技術，能夠根據(jù)負載的大小來進行選擇性的導通，實現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)的整體設計

2.2.1 系統(tǒng)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(tǒng)的高效率Boost型轉換器，基于小型化遙測系統(tǒng)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(fā)射機會在大小功率之間進行切換。因此對于系統(tǒng)提出了更高的要求，要求在各種狀態(tài)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(fā)生變化，但是在輕載的工作狀態(tài)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(tài)下都能夠保持較高的效率，需要采用降低輕載狀態(tài)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(tǒng)的電源效率得到提升。通過應用并聯(lián)不同尺寸開關管的技術，可以根據(jù)負載的大小調整開關管的導通情況，從而實現(xiàn)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(nèi)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(lián)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(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的整體框架

2.2.2 系統(tǒng)的工作原理分析

當系統(tǒng)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(wěn)態(tài)。當電感電流和輸出電壓達到穩(wěn)態(tài)以后，控制環(huán)路能夠對輸出電壓進行動態(tài)的檢測，發(fā)現(xiàn)其發(fā)生的變化，然后將變化電壓經(jīng)過分壓網(wǎng)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(jīng)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?；谶壿嬰娐?，調節(jié)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(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)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(fā)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(jù)比對結果對控制開關動作的脈沖寬度進行調制，從而實現(xiàn)輸出電壓的控制。

（4）電流限制比較器。PFM模式下能夠實現(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)電感電流采集。

（8）軟啟動模塊。實現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動，在系統(tǒng)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(xiàn)浪涌電流，同時可以防止出現(xiàn)輸出電壓瞬時升高的情況，對系統(tǒng)起到保護作用。

（9）PWM/PFM 自動切換模塊?；谪撦d實現(xiàn)系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)該開關管的徹底關斷。

3 結 論

本文應用了同步整流技術，聯(lián)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(tǒng)的工作時間。