在系统中成功运用DC-DC降压升压调节器文档格式.docx
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系统IC需要1.8V、3.3V、和3.6V的电压,以实现最佳工作状态。
锂离子电池开始工作时的电压为4.2V,结束工作时的电压为3.0V,在此过程中,降压/升压调节器可以提供3.3V的恒定电压,而降压调节器或低压差调节器(LDO)则可在电池放电时提供1.8V的电压。
理论上,当电池电压高于3.5V时,可使用降压调节器或LDO产生3.3V电压,但当电池电压降至3.5V以下时,系统就会停止工作。
允许系统过早关闭会减少电池需要重新充电前的系统工作时间。
图1.典型低功耗便携式系统
降压/升压调节器内置四个开关、两个电容和一个电感,如图2所示。
如今的低功耗、高效率降压/升压调节器在降压或升压模式下工作时,只要主动操作其中两个开关,就可以降低损耗,提高效率。
图2.降压/升压转换器拓扑结构
当VIN大于VOUT,时,开关C断开,开关D闭合。
开关A和B的工作方式和在标准降压调节器中一样,如图3所示。
图3.BuckmodewhenVIN>
VOUT时的降压模式
当VIN小于VOUT,时,开关B断开,开关A闭合。
开关C和D的工作方式和在升压调节器中一样,如图4所示。
最困难的工作模式是当VIN处在VOUT±
10%,范围内时,此时调节器会进入降压/升压模式。
在降压/升压模式下,两种操作(降压和升压)会在一个开关周期内发生。
应特别注意降低损耗、优化效率,以及消除由于模式切换造成的不稳定性。
这么做的目标是保持电压稳定,使电感中的电流纹波降至最低,保证良好的瞬态性能。
图4.BoostVIN<
VOUT时的升压模式
对于高负载电流,降压/升压调节器采用电流模式、固定频率、脉冲宽度调制(PWM)控制,以获得出色的稳定性和瞬态响应。
为确保便携式应用的电池寿命最长,还采用了省电模式,在轻载时可降低开关频率。
对于无线应用和其它低噪声应用,可变频率省电模式可能会引起干扰,通过增加逻辑控制输入,可强制转换器在所有负载条件下均以固定频率PWM方式工作。
降压/升压调节器提高系统效率
如今的很多便携式系统都采用单单元锂离子充电电池供电。
如上所述,电池会从满充状态时的4.2V开始工作,缓慢放电至3.0V。
当电池输出降至3.0V以下时,系统就会关闭,防止电池因过度放电而受损。
采用低压差调节器产生3.3V电压轨时,系统会在
VINMIN=VOUT+VDROUPOUT=3.3V+0.2V=3.5V
时关断,此时只用了电池所存储电能的70%。
但如果采用降压/升压调节器(如ADP2503或ADP2504),系统就可以持续工作到最小实际电池电压。
ADP2503和ADP2504(参见附录)均为高效率、600mA和1000mA低静态电流、降压/升压DC-DC转换器,工作时的输入电压可高于、低于或等于稳压输出电压。
电源开关采用内置形式,最大限度地减少了外部元件的数量和印刷电路板(PCB)的面积。
通过这种方法,系统可以一直工作到3.0V,从而充分利用电池存储的电能,增加了电池需要重新充电前的系统工作时间。
为了节省便携式系统的电能,各种子系统(如微处理器、显示屏背光和功率放大器)不用时会在全开和休眠模式之间频繁切换,造成电池电源线路上较大的电压瞬变。
这些瞬变会使电池输出电压短时降至3.0V以下,并触发低电量警告,从而使系统在电池完全放电前关闭。
降压/升压解决方案可以承受的电压摆幅低至2.3V,有助于维持系统潜在的工作时间。
降压/升压调节器主要规格特性与定义
输出电压范围选项:
降压/升压调节器提供额定的固定输出电压,或者提供选项,允许通过外部电阻分压器对输出电压进行编程设置。
地电流或静态电流:
未输送给负载的直流偏置电流(Iq)器件的Iq低,则效率越高,然而,Iq可以针对许多条件进行规定,包括关断、负载、脉冲频率(PFM)工作模式或脉冲宽度(PWM)工作模式。
因此,为了确定某个应用的最佳升压调节器,最好查看特定工作电压和负载电流下的实际工作效率。
关断电流:
这是使能引脚禁用时器件消耗的输入电流。
低Iq对于电池供电器件在休眠模式下能否长时间待机很重要。
在逻辑控制的关断期间,输入与输出断开,从输入源汲取的电流小于1μA。
软启动:
具有软启动功能很重要,输出电压以可控方式缓升,从而避免启动时出现输出电压过冲现象。
开关频率:
低功耗降压/升压转换器的工作频率范围一般是500kHz到3MHz。
开关频率较高时,所用的电感可以更小,还可减少PCB面积,但开关频率每增加一倍,效率就会降低大约2%。
热关断(TSD):
当结温超过规定的限值时,热关断电路就会关闭调节器。
一直较高的结温可能由工作电流高、电路板冷却不佳和/或环境温度高等原因引起。
保护电路包括迟滞,因此,发生热关断后,器件会在片内温度降至预设限值以下后才返回正常工作状态。
结束语
低功耗降压/升压调节器凭借成熟可靠的性能与深入有力的支持,使采用DC-DC开关转换器的设计变得简单。
ADI公司不仅提供了全面的数据手册并在其应用部分列出了设计计算,还提供了ADIsimPower设计工具以简化最终用户的任务。
欲查看ADI公司调节器的选型指南、数据手册和应用笔记,请访问:
如需帮助,请访问ADI中文技术论坛,网址为或通过电话4006-100-006或电子邮件china.support@联系ADI公司。
参考文献
Marasco,K.“HowtoApplyDC-to-DCStep-Up(Boost)RegulatorsSuccessfully.”AnalogDialogue.Volume45.September2011.
Marasco,K.“HowtoApplyDC-to-DCStep-Down(Buck)RegulatorsSuccessfully.”AnalogDialogue.Volume45.June2011.
Marasco,K.“HowtoApplyLow-DropoutRegulatorsSuccessfully.”AnalogDialogue.Volume43.August2009.
附录
降压/升压DC-DC开关转换器的工作频率是2.5MHz
ADP2503和ADP2504均为高效率、低静态电流、降压/升压DC-DC转换器,工作时的输入电压可高于、低于或等于稳压输出电压。
这两种转换器内置功率开关和同步整流器,所需的外部器件数量极少。
对于高负载电流,这两种器件采用电流模式、固定频率、脉冲宽度调制(PWM)控制方案,以便获得出色的稳定性和瞬态响应。
为确保便携式应用的电池使用寿命最长,这些器件还提供省电模式选项,在轻负载条件下可降低开关频率。
对于无线应用和其它低噪声应用,可变频率省电模式可能会引起干扰,而通过逻辑控制输入同步,则可强制转换器在所有负载条件下均以固定频率PWM方式工作。
ADP2503和ADP2504采用2.3V至5.5V输入电压工作,单个锂电池或锂聚合物电池、多个碱性电池或NiMH电池、PCMCIA、USB及其它标准电源均可为其供电。
这两种器件具有各种固定输出可供选择,也可采用可调型号,通过外部电阻分压器对输出电压进行编程设置。
此外,还内置补偿功能,最大程度地减少外部元件的数量。
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作者简介
KenMarasco[ken.marasco@]是ADI公司系统应用经理,负责便携式电源产品的技术支持,在ADI公司便携式应用小组已经工作了三年。
他毕业于NYIT,持有应用物理专业学士学位,在系统和元件设计方面拥有37年的丰富经验。
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