DC-DC 開關(guān)轉(zhuǎn)換器的作用是將一個(gè)直流電壓有效轉(zhuǎn)換成另一個(gè)。高效率DC-DC轉(zhuǎn)換器采用三項(xiàng)基本技術(shù)：降壓、升壓，以及降壓/升壓。降壓轉(zhuǎn)換器用于產(chǎn)生低直流輸出電壓，升壓轉(zhuǎn)換器用于產(chǎn)生高直流輸出電壓，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。
圖1所示為采用單個(gè)單元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時(shí)的約3.0 V到充滿電時(shí)的4.2 V。系統(tǒng)IC需要1.8 V、3.3 V、和3.6 V的電壓，以實(shí)現(xiàn)最佳工作狀態(tài)。鋰離子電池開始工作時(shí)的電壓為4.2 V，結(jié)束工作時(shí)的電壓為3.0 V，在此過程中，降壓/升壓調(diào)節(jié)器可以提供3.3 V的恒定電壓，而降壓調(diào)節(jié)器或低壓差調(diào)節(jié)器（LDO）則可在電池放電時(shí)提供1.8 V的電壓。理論上，當(dāng)電池電壓高于3.5 V時(shí)，可使用降壓調(diào)節(jié)器或LDO產(chǎn)生3.3 V電壓，但當(dāng)電池電壓降至3.5 V以下時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)停止工作。允許系統(tǒng)過早關(guān)閉會(huì)減少電池需要重新充電前的系統(tǒng)工作時(shí)間。
圖1. 典型低功耗便攜式系統(tǒng)
降壓/升壓調(diào)節(jié)器內(nèi)置四個(gè)開關(guān)、兩個(gè)電容和一個(gè)電感，如圖2所示。如今的低功耗、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)開關(guān)，就可以降低損耗，提高效率。
圖2. 降壓/升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
當(dāng)VIN大于 VOUT， 時(shí)，開關(guān)C斷開，開關(guān)D閉合。開關(guān)A和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。
圖3.Buck mode when VIN > VOUT時(shí)的降壓模式
當(dāng) VIN小于VOUT，時(shí)，開關(guān)B斷開，開關(guān)A閉合。開關(guān)C和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 處在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)開關(guān)周期內(nèi)發(fā)生。應(yīng)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。
圖4.BoostVIN
對于高負(fù)載電流，降壓/升壓調(diào)節(jié)器采用電流模式、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，還采用了省電模式，在輕載時(shí)可降低開關(guān)頻率。對于無線應(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。
降壓/升壓調(diào)節(jié)器提高系統(tǒng)效率
如今的很多便攜式系統(tǒng)都采用單單元鋰離子充電電池供電。如上所述，電池會(huì)從滿充狀態(tài)時(shí)的4.2 V開始工作，緩慢放電至3.0 V。當(dāng)電池輸出降至3.0 V以下時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)關(guān)閉，防止電池因過度放電而受損。采用低壓差調(diào)節(jié)器產(chǎn)生3.3 V電壓軌時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在
VIN MIN = VOUT + VDROUPOUT = 3.3 V + 0.2 V = 3.5 V
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 附錄） 均為高效率、600 mA和1000 mA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。電源開關(guān)采用內(nèi)置形式，最大限度地減少了外部元件的數(shù)量和印刷電路板（PCB）的面積。通過 這種方法，系統(tǒng)可以一直工作到3.0 V，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)在全開 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)使電池輸出電壓短時(shí)降至3.0 V以下，并觸發(fā)低電量警告，從而使系統(tǒng)在電池完全放電前關(guān)閉。降壓/升壓解決方案可以承受的電壓擺幅低至2.3 V，有助于維持系統(tǒng)潛在的工作時(shí)間。
降壓/升壓調(diào)節(jié)器主要規(guī)格特性與定義
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，或者提供選項(xiàng)，允許通過外部電阻分壓器對輸出電壓進(jìn)行編程設(shè)置。
地電流或靜態(tài)電流： 未輸送給負(fù)載的直流偏置電流 （Iq） 器件的 Iq低，則效率越高，然而， Iq 可以針對許多條件進(jìn)行規(guī)定，包括關(guān)斷、負(fù)載、脈沖頻率（PFM）工作模式或脈沖寬度（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對于電池供電器件在休眠模式下能否長時(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，從輸入源汲取的電流小于1 μA。
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)輸出電壓過沖現(xiàn)象。
開關(guān)頻率：低功耗降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的工作頻率范圍一般是500 kHz到3 MHz。開關(guān)頻率較高時(shí)，所用的電感可以更小，還可減少PCB面積，但開關(guān)頻率每增加一倍，效率就會(huì)降低大約2%。
熱關(guān)斷（TSD）： 當(dāng)結(jié)溫超過規(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、電路板冷卻不佳和/或環(huán)境溫度高等原因引起。保護(hù)電路包括遲滯，因此，發(fā)生熱關(guān)斷后，器件會(huì)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)。
結(jié)束語
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，使采用DC-DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)變得簡單。ADI公司不僅提供了全面的數(shù)據(jù)手冊并在其應(yīng)用部分列出了設(shè)計(jì)計(jì)算，還提供了ADIsimPower 設(shè)計(jì)工具以簡化最終用戶的任務(wù)。欲查看ADI公司調(diào)節(jié)器的選型指南、數(shù)據(jù)手冊和應(yīng)用筆記，請?jiān)L問： http://www.analog.com/en/power-management/products/index.html.
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參考文獻(xiàn)
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附錄
降壓/升壓DC-DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器的工作頻率是2.5 MHz
ADP2503和ADP2504 均為高效率、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。這兩種轉(zhuǎn)換器內(nèi)置功率開關(guān)和同步整流器，所需的外部器件數(shù)量極少。對于高負(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，這些器件還提供省電模式選項(xiàng)，在輕負(fù)載條件下可降低開關(guān)頻率。對于無線應(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，而通過邏輯控制輸入同步，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采用2.3 V至5.5 V輸入電壓工作，單個(gè)鋰電池或鋰聚合物電池、多個(gè)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可供選擇，也可采用可調(diào)型號(hào)，通過外部電阻分壓器對輸出電壓進(jìn)行編程設(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。
作者簡介
Ken Marasco ［ken.marasco@analog.com］ 是ADI公司系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)理，負(fù)責(zé)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(jì)方面擁有37年的豐富經(jīng)驗(yàn)。