便攜式電子器件（如智能手機,、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)和平板電腦）的電 源可以來自低壓太陽能電池板,、電池或AC-DC電源。電池供電系 統(tǒng)通常將電池串聯(lián)疊置以實現(xiàn)更高的電壓,，但此技術(shù)由于空間不 足未必總是可行,。開關(guān)轉(zhuǎn)換器使用電感磁場來交替存儲電能，并以不同電壓釋放至負載,。因為損耗很低,，所以是個不錯的高效選 擇。連接至轉(zhuǎn)換器輸出端的電容可降低輸出電壓紋波,。本文所討論的升壓,， 轉(zhuǎn)換器提供較高電壓；而前一篇文章1所討論的降壓轉(zhuǎn)換器提供較低輸出電壓,。內(nèi)置FET作為開關(guān)的開關(guān)轉(zhuǎn)換器稱為開關(guān)調(diào)節(jié)器,，2 需要外部FET的開關(guān)轉(zhuǎn)換器則稱為開關(guān)控制器.3

　　圖1顯示采用兩節(jié)串聯(lián)的AA電池供電的典型低功耗系統(tǒng)。電 可用輸出范圍約為1.8 V至3.4 V,，而IC工作時需要1.8 V和5.0 V 電壓,。升壓轉(zhuǎn)換器可在不增加電池單元數(shù)量的情況下提升電 壓,，從而為WLED背光,、微型硬盤驅(qū)動器、音頻設(shè)備和USB外 設(shè)供電,，而降壓轉(zhuǎn)換器可為微處理器,、內(nèi)存和顯示器供電。

　　圖1.典型低功耗便攜式系統(tǒng)

　　電感阻礙電流變化的傾向可提供升壓功能,。充電時,，電感用作 負載并存儲電能；放電時,，可用作電源,。放電過程中產(chǎn)生的電 壓與電流變化速率相關(guān)，與原始充電電壓無關(guān),，因此可提供不 同的輸入和輸出電平,。

　　升壓調(diào)節(jié)器包括兩個開關(guān)、兩個電容和一個電感,，如圖2所示,。 非交疊開關(guān)驅(qū)動機制確保任一時間只有一個開關(guān)導(dǎo)通，避免發(fā) 生不良的直通電流,。在第1階段（tON）,，開關(guān)B斷開,，開關(guān)A閉合。 ON電感連接到地,，因此電流從VIN流到地,。由于電感端為正電壓，因此電流增大,，使電能存儲于電感中,。在第2階段（tOFF）， 開關(guān)A斷開,，開關(guān)B閉合,。電感連接到負載，因此電流從VIN流到負載,。由于電感端為負電壓,，因此電流減小，電感中存儲的能量 釋放到負載中,。

　　圖2.降壓轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)和工作波形

　　注意,，開關(guān)調(diào)節(jié)器既可以連續(xù)工作，也可以斷續(xù)工作以連續(xù)導(dǎo)通模式 （CCM）,， 工作時,，電感電流不會降至0；以斷續(xù)導(dǎo)通模式 （DCM）,， 工作時,，電感電流可以降至0。 電流紋波,，在圖2中顯示為ΔIL 使用公式ΔIL = （VIN × tON）/L.計算,。平均電感電流流入負載，而紋波電流流入輸出電容,。

　　圖3.升壓調(diào)節(jié)器集成振蕩器、PWM控制環(huán)路和開關(guān)FET

　　使用肖特基二極管代替開關(guān)B的調(diào)節(jié)器定義為異步 （或非同步）,， 調(diào)節(jié)器,，而使用FET作為開關(guān)B的調(diào)節(jié)器定義為同步調(diào)節(jié)器。 圖3中,，開關(guān)A和B已分別使用內(nèi)部NFET和外部肖特基二極管 來實施,，從而形成異步升壓調(diào)節(jié)器。對于需要負載隔離和低關(guān) 斷電流的低功耗應(yīng)用,，可添加外部FET,，如圖4所示。將器件 的EN引腳驅(qū)動至0.3 V以下便可關(guān)斷調(diào)節(jié)器,，使輸入與輸出完 全斷開,。

　　圖4.ADP1612/ADP1613典型應(yīng)用電路

　　現(xiàn)代低功耗同步降壓調(diào)節(jié)器以脈寬調(diào)制（PWM）為主要工作模式,。PWM保持頻率不變，通過改變脈沖寬度（tON）來調(diào)整輸出電壓,。輸送的平均功率與占空 D成正比,，因此這是一種向負載 提供功率的有效方式

　　例如，所需輸出電壓為15 V,，可用輸入電壓為5 V時：

　　D = （15 – 5）/15 = 0.67 or 67%.

　　由于功耗降低,，輸入功率必須等于傳遞至負載的功率減去所有 損耗。假定轉(zhuǎn)換十分有效,，則少量的功率損失可在基本功耗計 算中省略不計,。因此輸入電流可近似表示為：

　　例如，如果負載電流在15 V時為300 mA,，則5 V時IIN = 900 mA at 5 V—即輸出電流的三倍,。因此，可用負載電流隨著升壓電壓增大而 降低,。

　　升壓轉(zhuǎn)換器使用電壓或電流反饋來調(diào)節(jié)選定的輸出電壓,；控制 環(huán)路則可根據(jù)負載變化保持輸出調(diào)節(jié)。低功耗升壓轉(zhuǎn)換器的工 作頻率范圍一般是600 kHz到2 MHz,。開關(guān)頻率較高時,，所用的 電感可以更小，但開關(guān)頻率每增加一倍,，效率就會降低大約2%,。在ADP1612 和ADP1613升壓轉(zhuǎn)換器（參見附錄）中，開關(guān)頻率可通過引腳選擇,，最高效率下的工作頻率為650 kHz,，最小外部 器件的工作頻率為1.3 MHz,。對于650 kHz的工作頻率,，將FREQ 連接至GND，而1.3 MHz的工作頻率則連接至VIN,。

　　電感是升壓調(diào)節(jié)器的關(guān)鍵器件,，它在電源開關(guān)導(dǎo)通期間存儲電能，而在關(guān)斷期間通過輸出整流器將電能傳輸至輸出端,。為了在低電感電流紋波與高效率之間取得平衡,，ADP1612/ADP1613 數(shù)據(jù)手冊建議電感值范圍為4.7 μH至22 μH。一般而言,，較低值 的電感在給定實體尺寸下具有更高的飽和電流和更低的串聯(lián)電 阻,，而較低的電感導(dǎo)致較高的峰值電流，可降低效率并增加紋 波和噪聲,。通常最好在斷續(xù)導(dǎo)通模式下執(zhí)行升壓,，以便縮小電 感尺寸并改善穩(wěn)定性,。峰值電感電流（最大輸入電流加一半的 電感紋波電流）必須小于電感的額定飽和電流；而調(diào)節(jié)器的最 大直流輸入電流必須小于電感的電流有效值額定值,。

　　便攜式電子器件（如智能手機,、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)和平板電腦）的電 源可以來自低壓太陽能電池板、電池或AC-DC電源,。電池供電系 統(tǒng)通常將電池串聯(lián)疊置以實現(xiàn)更高的電壓,，但此技術(shù)由于空間不 足未必總是可行。開關(guān)轉(zhuǎn)換器使用電感磁場來交替存儲電能,，并以不同電壓釋放至負載,。因為損耗很低，所以是個不錯的高效選 擇,。連接至轉(zhuǎn)換器輸出端的電容可降低輸出電壓紋波,。本文所討論的升壓， 轉(zhuǎn)換器提供較高電壓,；而前一篇文章1所討論的降壓轉(zhuǎn)換器提供較低輸出電壓,。內(nèi)置FET作為開關(guān)的開關(guān)轉(zhuǎn)換器稱為開關(guān)調(diào)節(jié)器，2 需要外部FET的開關(guān)轉(zhuǎn)換器則稱為開關(guān)控制器.3

　　圖1顯示采用兩節(jié)串聯(lián)的AA電池供電的典型低功耗系統(tǒng),。電 可用輸出范圍約為1.8 V至3.4 V,，而IC工作時需要1.8 V和5.0 V 電壓。升壓轉(zhuǎn)換器可在不增加電池單元數(shù)量的情況下提升電 壓,，從而為WLED背光,、微型硬盤驅(qū)動器、音頻設(shè)備和USB外 設(shè)供電,，而降壓轉(zhuǎn)換器可為微處理器,、內(nèi)存和顯示器供電。

　　圖1.典型低功耗便攜式系統(tǒng)

　　電感阻礙電流變化的傾向可提供升壓功能,。充電時,，電感用作 負載并存儲電能；放電時,，可用作電源,。放電過程中產(chǎn)生的電 壓與電流變化速率相關(guān)，與原始充電電壓無關(guān),，因此可提供不 同的輸入和輸出電平,。

　　升壓調(diào)節(jié)器包括兩個開關(guān)、兩個電容和一個電感,，如圖2所示,。 非交疊開關(guān)驅(qū)動機制確保任一時間只有一個開關(guān)導(dǎo)通，避免發(fā) 生不良的直通電流,。在第1階段（tON）,，開關(guān)B斷開,，開關(guān)A閉合。 ON電感連接到地,，因此電流從VIN流到地,。由于電感端為正電壓，因此電流增大,，使電能存儲于電感中,。在第2階段（tOFF）， 開關(guān)A斷開,，開關(guān)B閉合,。電感連接到負載，因此電流從VIN流到負載,。由于電感端為負電壓,，因此電流減小，電感中存儲的能量 釋放到負載中,。

　　圖2.降壓轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)和工作波形

　　注意,，開關(guān)調(diào)節(jié)器既可以連續(xù)工作，也可以斷續(xù)工作以連續(xù)導(dǎo)通模式 （CCM）,， 工作時,，電感電流不會降至0；以斷續(xù)導(dǎo)通模式 （DCM）,， 工作時,，電感電流可以降至0。 電流紋波,，在圖2中顯示為ΔIL 使用公式ΔIL = （VIN × tON）/L.計算,。平均電感電流流入負載，而紋波電流流入輸出電容,。

　　圖3.升壓調(diào)節(jié)器集成振蕩器、PWM控制環(huán)路和開關(guān)FET

　　使用肖特基二極管代替開關(guān)B的調(diào)節(jié)器定義為異步 （或非同步）,， 調(diào)節(jié)器,，而使用FET作為開關(guān)B的調(diào)節(jié)器定義為同步調(diào)節(jié)器,。 圖3中,，開關(guān)A和B已分別使用內(nèi)部NFET和外部肖特基二極管 來實施，從而形成異步升壓調(diào)節(jié)器,。對于需要負載隔離和低關(guān) 斷電流的低功耗應(yīng)用,，可添加外部FET，如圖4所示,。將器件 的EN引腳驅(qū)動至0.3 V以下便可關(guān)斷調(diào)節(jié)器,，使輸入與輸出完 全斷開,。

　　圖4.ADP1612/ADP1613典型應(yīng)用電路

　　現(xiàn)代低功耗同步降壓調(diào)節(jié)器以脈寬調(diào)制（PWM）為主要工作模式。PWM保持頻率不變,，通過改變脈沖寬度（tON）來調(diào)整輸出電壓,。輸送的平均功率與占空 D成正比，因此這是一種向負載 提供功率的有效方式

　　例如,，所需輸出電壓為15 V,，可用輸入電壓為5 V時：

　　D = （15 – 5）/15 = 0.67 or 67%.

　　由于功耗降低，輸入功率必須等于傳遞至負載的功率減去所有 損耗,。假定轉(zhuǎn)換十分有效,，則少量的功率損失可在基本功耗計 算中省略不計。因此輸入電流可近似表示為：

　　例如,，如果負載電流在15 V時為300 mA,，則5 V時IIN = 900 mA at 5 V—即輸出電流的三倍。因此,，可用負載電流隨著升壓電壓增大而 降低,。

　　升壓轉(zhuǎn)換器使用電壓或電流反饋來調(diào)節(jié)選定的輸出電壓；控制 環(huán)路則可根據(jù)負載變化保持輸出調(diào)節(jié),。低功耗升壓轉(zhuǎn)換器的工 作頻率范圍一般是600 kHz到2 MHz,。開關(guān)頻率較高時，所用的 電感可以更小,，但開關(guān)頻率每增加一倍,，效率就會降低大約2%。在ADP1612 和ADP1613升壓轉(zhuǎn)換器（參見附錄）中,，開關(guān)頻率可通過引腳選擇,，最高效率下的工作頻率為650 kHz，最小外部 器件的工作頻率為1.3 MHz,。對于650 kHz的工作頻率,，將FREQ 連接至GND，而1.3 MHz的工作頻率則連接至VIN,。

　　電感是升壓調(diào)節(jié)器的關(guān)鍵器件,，它在電源開關(guān)導(dǎo)通期間存儲電能，而在關(guān)斷期間通過輸出整流器將電能傳輸至輸出端,。為了在低電感電流紋波與高效率之間取得平衡,，ADP1612/ADP1613 數(shù)據(jù)手冊建議電感值范圍為4.7 μH至22 μH。一般而言,，較低值 的電感在給定實體尺寸下具有更高的飽和電流和更低的串聯(lián)電 阻,，而較低的電感導(dǎo)致較高的峰值電流，可降低效率并增加紋 波和噪聲。通常最好在斷續(xù)導(dǎo)通模式下執(zhí)行升壓,，以便縮小電 感尺寸并改善穩(wěn)定性,。峰值電感電流（最大輸入電流加一半的 電感紋波電流）必須小于電感的額定飽和電流；而調(diào)節(jié)器的最 大直流輸入電流必須小于電感的電流有效值額定值,。

　　升壓調(diào)節(jié)器主要規(guī)格和定義

　　輸入電壓范圍：升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍決定了最低的可用輸入電源,。規(guī)格可能提供很寬的輸入電壓范圍，但輸入電壓必須低于 VOUT才能實現(xiàn)高效率工作,。

　　地電流或靜態(tài)電流：未輸送給負載的直流偏置電流（Iq）,。 Iq越低則效率越高，然而,， Iq 可以針對許多條件進行規(guī)定,，包括關(guān)斷、零負載,、PFM工作模式或PWM工作模式,。因此,，為了確定某 個應(yīng)用的最佳升壓調(diào)節(jié)器,，最好查看特定工作電壓和負載電流 下的實際工作效率,。

　　關(guān)斷電流： 這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,。

　　開關(guān)占空比：工作占空比必須小于最大占空比,，否則輸出電壓無法調(diào)節(jié)。例如,， D = （VOUT – VIN）/VOUT. 時VIN= 5 V and VOUT = 15 V,， D = 67%. ADP1612和ADP1613的最大占空比為90%。

　　輸出電壓范圍： 即器件可支持的輸出電壓范圍,。升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓可以是固定的,，或者可利用電阻設(shè)定所需的輸出電壓來調(diào)節(jié)。

　　限流：升壓轉(zhuǎn)換器通常指定峰值電流限值而不是負載電流,。請注意VIN and VOUT間的差異越大,，可用負載電流越低。峰值電流限值,、輸入電壓,、輸出電壓、開關(guān)頻率和電感值均會決定最大可用輸出電流,。

　　線路調(diào)整率： 線路調(diào)整率是指輸出電壓隨輸入電壓變化而發(fā)生的變化率,。

　　負載調(diào)整率： 負載調(diào)整率是指輸出電壓隨輸出電流變化而發(fā)生的變化率。

　　軟啟動：升壓轉(zhuǎn)換器具有軟啟動功能很重要,，啟動時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,。某 些升壓轉(zhuǎn)換器的軟啟動可通過外部電容調(diào)節(jié),。隨著軟啟動電容 充電,，它會限制器件允許的峰值電流。憑借可調(diào)軟啟動功能 可改變啟動時間以滿足系統(tǒng)要求,。

　　熱關(guān)斷（TSD）：當結(jié)點溫度超過規(guī)定的限值時,，熱關(guān)斷電路就會關(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,。保護電路包括遲滯，以防止 發(fā)生熱關(guān)斷后,，器件在片內(nèi)溫度降至預(yù)設(shè)限值以下后才返回正 常工作狀態(tài)

　　欠壓閉鎖（UVLO）： 如果輸入電壓低于UVLO閾值,，IC便自動關(guān)閉電源開關(guān)并進入低功耗模式。這可以防止低輸入電壓下可 能發(fā)生的工作不穩(wěn)定現(xiàn)象,，并防止電源器件在電路無法控制它 時啟動,。

　　結(jié)束語

　　低功耗升壓調(diào)節(jié)器通過提供成熟計使開關(guān)的設(shè) DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)設(shè)計變得簡單。數(shù)據(jù)手冊應(yīng)用部分提供了設(shè)計計算,，ADIsimPower4 設(shè)計工具可簡化最終用戶的任務(wù),。

　　參考文獻

　　1www.analog.com/library/analogDialogue/archives/45-06/buck_regulators.html.

　　2www.analog.com/en/power-management/switching-regulators-integrated-fet-switches/products/index.html.

　　3www.analog.com/en/power-management/switching-controllers-external-switches/products/index.html.

　　4http://designtools.analog.com/dtPowerWeb/dtPowerMain.aspx

　　Lenk， John D. Simplified Design of Switching Power Supplies. Elsevier/Newnes. 1996.

　　Marasco,， K. “How to Apply DC-to-DC Step-Down （Buck） Regulators Successfully.” Analog Dialogue. Volume 45. June 2011.

　　Marasco,， K. “How to Apply Low-Dropout Regulators Successfully.” Analog Dialogue. Volume 43， Number 3. 2009.

　　附錄

　　升壓DC-DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器的工作頻率是650 kHz/1300 kHz

　　分別采用1.8 V至5.5 V單電源或2.5 V至5.5 V單電源供電時,，升 壓轉(zhuǎn)換器ADP1612和ADP1613能夠以高達20 V的電壓供應(yīng)超過 150 mA的電流,。通過將一個1.4 A/2.0 A、0.13 功率開關(guān)一個 電流模式脈寬調(diào)制調(diào)節(jié)器集成在一起,，其輸出隨輸入電壓,、負 載電流和溫度變化僅改變不到1%。工作頻率可通過引腳選擇,， 并通過優(yōu)化實現(xiàn)高效率或最小外部元件尺寸：650 kHz時,，其效 率可達到90%；1.3 MHz時,，其電路能夠以最小空間實現(xiàn),，因 而非常適合便攜式設(shè)備和液晶顯示器中的空間受限環(huán)境?？烧{(diào) 軟啟動電路防止發(fā)生浪涌電流,，確保安全、可預(yù)測的啟動條件,。 ADP1612和ADP1613在開關(guān)狀態(tài)下的功耗為 2.2 mA,，在非開關(guān) 關(guān)斷模式下的功耗為 10 nA,。這些器 狀態(tài)下的功耗為 700 μA，在 件采用8引腳MSOP封裝,，額定溫度范圍為–40℃至+85℃,。

　　圖A.ADP1612/ADP1613功能框圖

　　作者簡介

　　Ken Marasco ［[email protected]］ 是ADI公司系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)理，負責便攜式電源產(chǎn)品 的技術(shù)支持,，在ADI公司便攜式應(yīng)用小組已經(jīng) 工作了三年,。他畢業(yè)于NYIT，持有應(yīng)用物理 專業(yè)學(xué)士學(xué)位,，在系統(tǒng)和元件設(shè)計方面擁有 35年的豐富經(jīng)驗,。