在系统中成功运用DC-DC降压/升压调节器

电源

Ken Marasco
DC-DC开关转换器的作用是将一个直流电压有效转换成另一个。高效率DC-DC转换器采用三项基本技术：降压、升压，以及降压/升压。降压转换器用于产生低直流输出电压，升压转换器用于产生高直流输出电压，降压/升压转换器则用于产生小于、大于或等于输入电压的输出电压。本文将重点介绍如何成功应用降压/升压DC-DC转换器。降压和升压转换器已在2011年6月和9月的《模拟对话》中单独介绍过，此处将不再赘述。
图1所示为采用单个单元的锂离子电池供电的典型低功耗系统。电池的可用输出范围为放电时的约3.0 V到充满电时的4.2V。系统IC需要1.8 V、3.3 V、和3.6 V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4.2 V，结束工作时的电压为3.0 V，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1.8 V的电压。理论上，当电池电压高于3.5 V时，可使用降压调节器或LDO产生3.3 V电压，但当电池电压降至3.5 V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. VIN > 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. VIN 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4.2 V开始工作，缓慢放电至3.0 V。当电池输出降至3.0 V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3.3 V电压轨时，系统会在

   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、600 mA和1000 mA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3.0 V，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3.0 V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2.3 V，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越低，则效率越高，然而，Iq可以针对许多条件进行规定，包括关断、零负载、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1 μA。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500 kHz到3 MHz。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：
http://www.analog.com/zh/power-management/products/index.html 。
如需帮助，请访问ADI中文技术论坛，网址为 www.analog.com/zh/forum ，或通过电话4006-100-006或电子邮件 china.support@analog.com 联系ADI公司。
作者简介
Ken Marasco [ken.marasco@analog.com] 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。
附录
降压/升压DC-DC开关转换器的工作频率是2.5 MHzADP2503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2.3 V至5.5 V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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