便攜式電子器件（如智能手機(jī),、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)和平板電腦）的電 源可以來(lái)自低壓太陽(yáng)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(shí)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(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器使用電感磁場(chǎng)來(lái)交替存儲(chǔ)電能，并 以不同電壓釋放至負(fù)載,。因?yàn)閾p耗很低,，所以是個(gè)不錯(cuò)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(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器稱(chēng)為開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器,2 需要外部FET的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器則稱(chēng)為開(kāi)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(shí)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(pán)驅(qū)動(dòng)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(shí),，電感用作 負(fù)載并存儲(chǔ)電能；放電時(shí),，可用作電源,。放電過(guò)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(wú)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(gè)開(kāi)關(guān)、兩個(gè)電容和一個(gè)電感,，如圖2所示,。 非交疊開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)機(jī)制確保任一時(shí)間只有一個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，避免發(fā) 生不良的直通電流,。在第1階段(tON),，開(kāi)關(guān)B斷開(kāi)，開(kāi)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(chǔ)于電感中,。在第2階段(tOFF), 開(kāi)關(guān)A斷開(kāi),，開(kāi)關(guān)B閉合。電感連接到負(fù)載,，因此電流從VIN流到負(fù)載,。由于電感端為負(fù)電壓,，因此電流減小，電感中存儲(chǔ)的能量 釋放到負(fù)載中,。
圖2.降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作波形
注意,，開(kāi)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(shí),，電感電流不會(huì)降至0,；以斷續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM), 工作時(shí)，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(jì)算,。平均電感電流流入負(fù)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(kāi)關(guān)FET
使用肖特基二極管代替開(kāi)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(kāi)關(guān)B的調(diào)節(jié)器定義為同步調(diào)節(jié)器,。 圖3中,，開(kāi)關(guān)A和B已分別使用內(nèi)部NFET和外部肖特基二極管 來(lái)實(shí)施，從而形成異步升壓調(diào)節(jié)器,。對(duì)于需要負(fù)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(dòng)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(kāi)。
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(guò)改變脈沖寬度(tON)來(lái)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(fù)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(shí)：
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(fù)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(jì) 算中省略不計(jì),。因此輸入電流可近似表示為：
例如,，如果負(fù)載電流在15 V時(shí)為300 mA，則5 V時(shí)IIN = 900 mA at 5 V—即輸出電流的三倍,。因此,，可用負(fù)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(lái)調(diào)節(jié)選定的輸出電壓；控制 環(huán)路則可根據(jù)負(fù)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(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，所用的 電感可以更小,，但開(kāi)關(guān)頻率每增加一倍,，效率就會(huì)降低大約2%。在ADP1612 和ADP1613升壓轉(zhuǎn)換器（參見(jiàn)附錄）中,，開(kāi)關(guān)頻率可通過(guò)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(duì)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(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間存儲(chǔ)電能，而在關(guān)斷期間通過(guò)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(cè)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(shí)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(shí)現(xiàn)高效率工作,。
地電流或靜態(tài)電流:未輸送給負(fù)載的直流偏置電流(Iq). Iq越低則效率越高，然而,， Iq 可以針對(duì)許多條件進(jìn)行規(guī)定,，包括關(guān)斷、零負(fù)載,、PFM工作模式或PWM工作模式,。因此，為了確定某 個(gè)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(fù)載電流 下的實(shí)際工作效率,。
關(guān)斷電流： 這是使能引腳禁用時(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。
開(kāi)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(wú)法調(diào)節(jié)。例如,， D = (VOUT – VIN)/VOUT. 時(shí)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(lái)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(fù)載電流。請(qǐng)注意VIN and VOUT間的差異越大,，可用負(fù)載電流越低,。峰值電流限值、輸入電壓,、輸出電壓,、開(kāi)關(guān)頻率和電感值均會(huì)決定最大可用輸出電流。
線(xiàn)路調(diào)整率： 線(xiàn)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(fù)載調(diào)整率： 負(fù)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(dòng)：升壓轉(zhuǎn)換器具有軟啟動(dòng)功能很重要，啟動(dòng)時(shí)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,。某 些升壓轉(zhuǎn)換器的軟啟動(dòng)可通過(guò)外部電容調(diào)節(jié)。隨著軟啟動(dòng)電容 充電,，它會(huì)限制器件允許的峰值電流,。憑借可調(diào)軟啟動(dòng)功能 可改變啟動(dòng)時(shí)間以滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。
熱關(guān)斷(TSD):當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度超過(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(dòng)關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)并進(jìn)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(wú)法控制它 時(shí)啟動(dòng),。
結(jié)束語(yǔ)
低功耗升壓調(diào)節(jié)器通過(guò)提供成熟計(jì)使開(kāi)關(guān)的設(shè) DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單,。數(shù)據(jù)手冊(cè)應(yīng)用部分提供了設(shè)計(jì)計(jì)算，ADIsimPower4 設(shè)計(jì)工具可簡(jiǎn)化最終用戶(hù)的任務(wù),。如需其他信息,，請(qǐng)聯(lián)系A(chǔ)DI公司應(yīng)用工程師,，或者訪(fǎng)問(wèn)ez.analog.com的中文技術(shù)論壇尋求幫助。有關(guān)ADI升壓調(diào)節(jié)器選型指南,、數(shù)據(jù)手冊(cè)和應(yīng)用筆記,，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)：
www.analog.com/power.
參考文獻(xiàn)
(有關(guān)所有ADI公司器件的信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)： www.analog.com/zh.)
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.
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附錄
升壓DC-DC開(kāi)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(shí),，升 壓轉(zhuǎn)換器ADP1612和ADP1613能夠以高達(dá)20 V的電壓供應(yīng)超過(guò) 150 mA的電流,。通過(guò)將一個(gè)1.4 A/2.0 A、0.13 功率開(kāi)關(guān)一個(gè) 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(fù) 載電流和溫度變化僅改變不到1%。工作頻率可通過(guò)引腳選擇,， 并通過(guò)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)高效率或最小外部元件尺寸：650 kHz時(shí),，其效 率可達(dá)到90%；1.3 MHz時(shí),，其電路能夠以最小空間實(shí)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(dòng)電路防止發(fā)生浪涌電流,，確保安全、可預(yù)測(cè)的啟動(dòng)條件,。 ADP1612和ADP1613在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的功耗為 2.2 mA,，在非開(kāi)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℃，千 片訂量報(bào)價(jià)為1.50/1.20美元/片,。
圖A.ADP1612/ADP1613功能框圖