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TPS610993+MCP1665+AP3019A:DC-DC升压器,从低输入电源产生高直流输出电压

2018-01-11 17:04更新
  • 便携式应用设计电源电压
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在便携式和可穿戴式应用的驱动下,许多设计趋势正朝着3.6V或更低的电源电压方向发展。但是,许多便携式设备具有特定的功能,需要更高的电压,因此需要设计人员通过DC-DC升压转换器的优化实现尽可能高效地升压到所需的水平。

本文将回顾升压DC-DC稳压器的用途并描述其拓扑结构。然后,它将介绍示例设备,并讨论为便携式或可穿戴应用开发最佳设计所需的设计技巧和权衡

DC-DC升压转换器的作用

典型的可穿戴设备或其他便携式设备使用额定输出为3.6V直流电的锂离子电池。大多数由电池供电的应用依靠一个或多个串联的锂离子电池作为其主电源电压。虽然这对于许多应用来说已经足够,但是笔记本电脑,平板电脑和其他移动设备具有需要高得多的电压的特定功能。

例子包括用于白光发光二极管(LED)背光的驱动器,RF收发器,精密模拟电路以及用于光学接收器中发现的雪崩光电二极管(APD)的偏置电路。升压或升压型DC-DC稳压器通过将低输入电压转换为更高的输出电压来满足这些应用需求。

典型的升压转换器拓扑

升压调节器的关键部件是电感器;半导体开关,最常见的是功率MOSFET;整流二极管;一个集成电路(IC)控制块;和输入和输出电容器(图1)。

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图1:基本升压调节器配置,显示开关闭合时的电流方向

当施加VIN并且电源开关闭合时,电流沿着蓝色路径流过电感器到地。电感器将能量存储在其磁场中。二极管反向偏置,输出电容两端的电压随存储能量供应负载而下降。

相反地,当电源开关打开时,电流沿着红色路径流动,因为塌陷磁场产生正电压,并且通过正向偏置的二极管传输电感器能量以给输出电容器充电并供应负载。

通过改变功率开关的占空比,控制部件响应于输入电压变化和负载变化而保持恒定的输出电压。输出端的电阻分压器可为控制模块提供电压反馈,以调节占空比并保持所需的输出电压值。

除了这些基本功能外,集成设计还包括一系列保护功能,以防止过热,输出短路,开路负载条件,输入过流等等。

基本电路的一个共同改进是用二极管代替第二个MOSFET。第二个MOSFET作为同步整流器,当电源开关关闭时开启。其较低的电压降降低了功耗,提高了稳压器的效率。

同步设计在电池供电设备中是一个优点,其中更高的效率等同于更长的电池寿命。另外,便携式设备和可穿戴设备通常都是空间受限的,因此这些应用的升压转换器通常具有高度的集成度。将电源组件包括在封装中限制了可以交付的电流,但这在电池供电设计中是可以接受的。许多这样的应用程序在关断模式下花费了很长时间,因此超低静态电流消耗非常关键。

TPS610993例子

TI的TPS610993 YFFT是一个低功耗升压稳压器的例子(图2)。这是一款同步器件,仅消耗1微安(μA)的静态电流,但可以提供高达800毫安(mA)的电流,输出电压为3.0V,输入电压低至0.7V。该设备旨在最大限度地提高轻负载下的运行效率。它可以使用碱性电池或NiMH或Li-ion等可充电型电池。

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图2:TPS61099x系列可以从0.7V的输入电压提供高达5.5V的电压。

TPS610993将电源开关和同步整流器集成到一个只有1.23毫米x0.88毫米的6球晶片尺寸封装(WCSP)中。 它的小尺寸使其适用于光学心率监视器,存储器液晶显示器(LCD)偏置驱动器以及类似空间受限的应用。 该器件是TPS61099x系列产品的成员,输出电压范围从1.8V~5.5V。

MCP1665例子

为了给智能手机相机闪光灯电路或电池供电的LED灯提供更高的电压,Microchip Technology的MCP1665采用了不同的方法:集成36V,100毫欧姆(mΩ)的NMOS电源开关,但在非同步时使用外部二极管拓扑结构。

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图3:Microchip的MCP1665可以从锂离子电池,镍氢电池或镍镉电池产生高达32V的电压。

该器件可以从5V电源提供高达1000毫安的电压,并具有可控启动电压,多种工作模式以及500千赫兹(kHz)的开关频率等特性。 峰值电流模式架构在宽负载范围内实现了高效率。

AP3019A例子

在一些升压应用中,将输出电压保持在设定值并不是主要的设计目标。 在LED背光驱动器中,期望的LED亮度是通过LED串的电流的函数,因此流过分流电阻器的电流形成反馈电压到控制器并确定升压电压。 来自Diodes Incorporated的AP3019AKTR-G1是一款升压转换器的示例,针对背光应用驱动多达8个LED串(图4)进行了优化。

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图4:在典型的1.2 MHz开关频率下工作的AP3019A驱动器包含专门的功能来控制LED背光灯串的亮度。

该器件针对空间受限的应用进行了优化,内部包含电源开关和二极管,1.2 MHz的开关频率允许使用微小的外部元件。 AP3019A可以采用SOT-23-6封装提供高达550 mA的电流。

CTRL引脚是一个专门的关断和调光输入:将引脚连接到1.8V或更高使能器件; 0.5V或更少禁用该设备;并且应用脉宽调制(PWM)信号允许执行LED亮度控制。

遵循这些设计技巧来优化效率

在已经讨论的一些设备中,制造商已经在内部固定了一些参数,但是设计者通常有几个可用的权衡来优化转换效率。此外,必须注意根据以下指导原则选择正确的外部元件。

开关频率:虽然开关频率不直接影响输出电压,但它对电源设计有重大影响。一般来说,较高的开关频率使得设计人员可以针对给定的应用使用较小的电感和较小的电容。电感尺寸主要取决于容许纹波电流的大小。对于给定的电感,纹波电流随着开关频率的增加而降低:给定多个器件的选择,设计师可以在较小的电感器上交换增加的开关频率,同时保持相同的纹波电流量。

更高的频率操作给了开关稳压器更大的带宽,缩短了瞬态响应时间。较小的电感器也减小了电源的尺寸和成本。

电感选择:电感是升压调节器的关键组成部分,它在电源开关的导通时间储存能量,并在关闭时间内通过输出整流二极管将能量传输到输出。

设计人员必须在低电感电流纹波和高效率之间进行权衡。对于给定的物理尺寸,较低值的电感器具有较高的饱和电流和较低的串联电阻,但较低的电感会导致较高的峰值电流,从而导致效率降低,纹波较高和噪声增加。

选择合适的电感器时,电感器的额定饱和电流必须大于峰值电感器电流,电感器的RMS电流额定值必须大于调节器的最大直流输入电流。

大多数升压稳压器数据资料包括针对不同负载电流和电压的电感建议:前面讨论的Microchip MCP1665数据手册推荐松下电子元件ELL-8TP4R7NB 4.7微亨(μH)电感,输出电压低于15V,但是Wurth Electronics 7447714100更高输出电压的10μH电感。

输入和输出电容器:在升压拓扑结构中,电感器用于消除对调节器电路供电的电源电路的瞬态要求,减少了所需的输入滤波器。 X5R额定值的陶瓷电容器对于+ 85°C的工作温度通常是足够的,但在+ 125°C的工作温度下可能需要低ESR X7R电容器。

如果电源的阻抗太高而无法在高负载阶段将输入电压维持在欠压闭锁阈值以上,则还可能需要额外的电解电容器或钽电容器。

在负载端,输出电容降低了负载纹波,并有助于在负载瞬态期间提供稳定的输出电压。输出电容推荐使用陶瓷X7R电容:其他类型的ESR可能会降低转换器的效率。

电容器的直流额定值应该高于最大输出电压VOUT,因为陶瓷电容器在接近最大电压时会失效。请参阅数据表以获取有关电容选择的建议。

升压稳压器布局考虑因素:由于其高速开关特性,升压稳压器性能对PCB布局非常敏感:寄生电感和电容可能导致高输出纹波,不良的输出调节,过度的电磁干扰(EMI),甚至导致由于高电压尖峰而失败。

因此设计师应该密切关注PCB布局,遵循以下提示:

  • 输出电容应靠近器件放置,并连接短而宽的走线,以尽量减少可能引起电压振荡和尖峰的寄生电感。多个过孔有助于减少寄生电容。
  • 放置输出电容器后,将电感器靠近IC放置,以降低辐射EMI。由于SW节点(见图2,图3和图4)电噪声较大,因此将反馈(FB)信号和其他敏感迹线路由得很好,远离此节点。
  • 输入电容的地节点也应该靠近IC电源地引脚,以减小环路面积。
  • 为了获得最佳的散热性能,布局应该包括从器件散热垫(如果适用)到接地层的散热过孔;这些改善散热并降低热关断的风险。
  • 电源地,信号地和散热焊盘应该在一个低阻抗接地点连接在一起。

在线设计工具加速了设计过程

有效的电源设计需要多个领域的专业知识,包括元件评估和选择,磁性元件,补偿电路设计,优化,热分析,布局等等。

认识到其复杂性,几个功率半导体供应商提供了有用的在线设计工具,指导工程师完成成功设计所需的步骤。

德州仪器提供多种工具。例如,Power Stage Designer™有助于设计最常用的开关电源。对于升压转换器,可以选择升压,降压 - 升压和SEPIC拓扑结构。在选择了一个建议的拓扑之后,该程序可以帮助设计人员比较不同功率FET的性能,挑选一个大容量电容,确定补偿网络,以及执行其他设计功能。

ADI提供的ADIsimPower™设计工具包可帮助设计人员生成完整的原理图和物料清单(BOM),并计算电路性能。 ADIsimPower可以针对成本,面积,效率或器件数量优化设计,同时考虑到IC和外部元件的工作条件和限制。

结论

通过使用更高电压的电路功能,升压稳压器在电池供电的便携式和可穿戴式设计中扮演着重要的角色。但是,设计人员必须选择适合所需增强应用的器件,并关注一些关键设计权衡和最佳实践。


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