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DC-DC升压稳压器外围元器件的选择与优化

发布时间:2022-06-21 责任编辑:wenwei

【导读】在便携和可穿戴设备等电池供电的低电压应用中,常有一些功能需要较高的电压才能工作,例如射频收发器、精密模拟电路、白光LED背光驱动、雪崩光电二极管(APD)的偏置电路等。这就需要采用DC-DC升压转换器来向上转换到所需的电压,让设备既节能又高效的工作。


升压稳压器特点


为满足低压应用中的某些特定的较高电压需求,升压DC-DC稳压器将低输入电压转换为高输出电压,典型电路组成包括:电感器、功率MOSFET、整流二极管、控制IC、输入和输出电容器。


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图 1:基本升压稳压器配置


常见的改进型配置一般使用两个MOSFET,第二个MOSFET替换整流二极管,在电源开关关闭时打开。MOSFET具有较低的电压降,这大幅减少了功耗,同时提高了稳压器的效率。


此外,有些稳压器还带有保护功能,针对超温、输出短路、开路负载条件和输入过流等情况提供保护。


外围元器件选择


转换效率是衡量DC-DC升压电路的重要指标,而造成功耗损失的主要是电感的寄生串联电阻(ESR)、肖特基二极管的正向导通压降、功率管的导通电阻以及开关损耗这四个方面。当然,芯片本身也有静态功耗,这在低负载情况下会影响转换效率,因此要求芯片内部的功率管导通电阻也需非常小。同时,芯片内部要设计合适的驱动电路,保证功率管开关沿很陡,以减小开关时的功耗。


电感和肖特基二极管选择的不同会影响转换效率,电容和电感选择的不同会影响输出的纹波。选择合适的电感、电容、肖特基二极管,可以获得高转换效率、低纹波、低噪声。


1、电感选择


电感器是升压转换器的一个关键元件:能在电源开关接通期间存储能量,并在关断期间将存储的能量通过输出整流二极管传输至输出。


设计人员必须在低电感器电流纹波与高效率之间达到平衡。对于给定的物理尺寸,电感较低的电感器会拥有较高的饱和电流和较低的串联电阻,但较低电感会导致更高的峰值电流,进而使能效降低,纹波增大和噪声提高。


电感器的电感值与最小电感值Lmin、电流纹波等有关。计算具体电感值时,须留意占空比(D)参数,具体大小为:D = (Vout-Vin)/Vout。


第一,要保证使DC-DC升压能够在连续电流模式下正常工作所需要的最小电感值Lmin。


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该公式是在连续电流模式下,忽略其他诸如寄生电阻、二极管的导通压降的情况下导出的,实际的值还要大一些。如果电感取值小于Lmin,电感可能会发生磁性饱和,造成DC-DC电路的效率大大下降,甚至不能正常输出稳定电压。


第二,考虑到通过电感的电流纹波问题,同样在连续电流模式下忽略寄生参数,


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当L过小时,会造成电感上的电流纹波过大,造成通过电感、肖特基二极管和芯片中的功率管的最大电流过大。由于功率管并不是理想的,所以在特别大的电流时功率管上的功率损耗会加大,导致整个DC-DC电路的转换效率降低。


第三,一般来说,不考虑效率问题时,小电感可以带动的负载能力强于大电感。但是由于在相同负载条件下,大电感的电流纹波和最大电流值小,所以大电感可以使得电路在更低的输入电压下启动(以上均是在相同的寄生电阻条件下推导出的结论)。


为了减小外接电感尺寸,可提高工作频率。例如350KHz工作频率,只需要3.3uH以上的电感就可以保证正常工作,但是如果输出端需要输出大电流(例如:输出电流大于50mA),为了提高工作效率,建议使用较大电感。


在大负载情况下,电感的串联电阻会极大地影响转换效率,假设电感的电阻为rL,负载电阻为Rload,那么在电感的功率损耗大致如下式计算:


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综合考虑,建议使用27uH、<0.5Ω的电感。如果需要提高大负载效率,需要使用更大电感值、更小寄生电阻值的电感。


2、输出电容选择


输出电容器可减少负载纹波,帮助在负载瞬态期间提供稳定的输出电压。当考虑电容的ESR时,输出电压的纹波为:


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为了减小输出的纹波,需要比较大的输出电容值。但是输出电容过大,就会使得系统的反应时间过慢,所以建议使用100uF电容。如果需要更小的纹波,则需要更大的电容。


当输出连接大负载的时候,ESR造成的纹波将成为最主要的因素,同时ESR又会增加效率损耗,降低转换效率。所以建议使用ESR低的钽电容,或者多个或X7R陶瓷电容器并联使用。其他类型的电容器可能具有较高的ESR,会降低转换器效率。


3、二极管


用于整流二极管对DC-DC效率影响很大,虽然普通的二极管也能够使得DC-DC电路工作正常,但是会降低5~10%的效率,所以建议使用正向导通电压低、反应时间短的肖特基二极管,例如1N5817、1N5819、1N5821、1N5822等。


具体参数上,二极管的平均正向额定电流必须等于或高于最大输出电流,重复峰值正向额定电流必须等于或高于电感器峰值电流,反向击穿电压必须高于内部电源开关额定电压。


例如,MCP1665带有36V的内部开关,能够提供高达1A的电流。因此,Microchip建议使用STMicroelectronics供应的STPS2L40VU肖特基二极管,该器件的反向击穿电压为40V,正向电流为2A。


4、输入电容


如果输入电源稳定,即使没有输入滤波电容,DC-DC电路也可以输出低纹波、低噪声的电流电压。但是当电源离DC-DC电路较远,建议在DC-DC的输入端加上10uF以上的滤波电容,用于减小输出的噪声。


DC-DC升压稳压器具有高速开关特征,对PCB布局非常敏感:寄生电感和电容可能导致高输出纹波、输出稳压效果不佳、电磁干扰 (EMI) 过大,甚至因高电压尖峰而导致故障。因此,外围元件应靠近IC芯片,接地节点应靠近IC电源接地引脚,以最大程度减小回路面积,电源接地、信号接地和导热垫也应该在单个低阻抗接地点连接在一起。


来源:Allchips



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