便攜式電子器件（如智能手機、GPS導航系統和平板電腦）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 統通常將電池串聯(lián)疊置以實(shí)現更高的電壓，但此技術(shù)由于空間不 足未必總是可行。開(kāi)關(guān)轉換器使用電感磁場(chǎng)來(lái)交替存儲電能，并以不同電壓釋放至負載。因為損耗很低，所以是個(gè)不錯的高效選 擇。連接至轉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， 轉換器提供較高電壓；而前一篇文章1所討論的降壓轉換器提供較低輸出電壓。內置FET作為開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)轉換器稱(chēng)為開(kāi)關(guān)調節器，2 需要外部FET的開(kāi)關(guān)轉換器則稱(chēng)為開(kāi)關(guān)控制器.3

圖1顯示采用兩節串聯(lián)的AA電池供電的典型低功耗系統。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。升壓轉換器可在不增加電池單元數量的情況下提升電 壓，從而為WLED背光、微型硬盤(pán)驅動(dòng)器、音頻設備和USB外 設供電，而降壓轉換器可為、內存和顯示器供電。

 
圖1.典型低功耗便攜式系統

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 負載并存儲電能；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。

升壓調節器包括兩個(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)驅動(dòng)機制確保任一時(shí)間只有一個(gè)開(kāi)關(guān)導通，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。電感連接到負載，因此電流從VIN流到負載。由于電感端為負電壓，因此電流減小，電感中存儲的能量 釋放到負載中。

圖2.降壓轉換器拓撲結構和工作波形

注意，開(kāi)關(guān)調節器既可以連續工作，也可以斷續工作以連續導通模式 （CCM）， 工作時(shí)，電感電流不會(huì )降至0；以斷續導通模式 （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.計算。平均電感電流流入負載，而紋波電流流入輸出電容。

圖3.升壓調節器集成振蕩器、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的調節器定義為異步 （或非同步）， 調節器，而使用FET作為開(kāi)關(guān)B的調節器定義為同步調節器。 圖3中，開(kāi)關(guān)A和B已分別使用內部NFET和外部肖特基二極管 來(lái)實(shí)施，從而形成異步升壓調節器。對于需要負載隔離和低關(guān) 斷電流的低功耗應用，可添加外部FET，如圖4所示。將器件 的EN引腳驅動(dòng)至0.3 V以下便可關(guān)斷調節器，使輸入與輸出完 全斷開(kāi)。

圖4.ADP1612/ADP1613典型應用電路

現代低功耗同步降壓調節器以脈寬調制（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載的功率減去所有 損耗。假定轉換十分有效，則少量的功率損失可在基本功耗計 算中省略不計。因此輸入電流可近似表示為：


例如，如果負載電流在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，可用負載電流隨著(zhù)升壓電壓增大而 降低。

升壓轉換器使用電壓或電流反饋來(lái)調節選定的輸出電壓；控制 環(huán)路則可根據負載變化保持輸出調節。低功耗升壓轉換器的工 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A(yíng)DP1612 和ADP1613升壓轉換器（參見(jiàn)附錄）中，開(kāi)關(guān)頻率可通過(guò)引腳選擇，很高效率下的工作頻率為650 kHz，很小外部 器件的工作頻率為1.3 MHz。對于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。

電感是升壓調節器的關(guān)鍵器件，它在電源開(kāi)關(guān)導通期間存儲電能，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 數據手冊建議電感值范圍為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，而較低的電感導致較高的峰值電流，可降低效率并增加紋 波和噪聲。通常很好在斷續導通模式下執行升壓，以便縮小電 感尺寸并改善穩定性。峰值電感電流（很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；而調節器的很 大直流輸入電流必須小于電感的電流有效值額定值。

升壓調節器主要規格和定義

輸入電壓范圍：升壓轉換器的輸入電壓范圍決定了很低的可用輸入電源。規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)現高效率工作。

地電流或靜態(tài)電流：未輸送給負載的直流偏置電流（Iq）。 Iq越低則效率越高，然而， Iq 可以針對許多條件進(jìn)行規定，包括關(guān)斷、零負載、PFM工作模式或PWM工作模式。因此，為了確定某 個(gè)應用的很佳升壓調節器，很好查看特定工作電壓和負載電流 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(cháng)時(shí)間待機很重要。

開(kāi)關(guān)占空比：工作占空比必須小于很大占空比，否則輸出電壓無(wú)法調節。例如， D = （VOUT – VIN）/VOUT. 時(shí)VIN= 5 V and VOUT = 15 V， D = 67%. ADP1612和ADP1613的很大占空比為90%。

輸出電壓范圍： 即器件可支持的輸出電壓范圍。升壓轉換器的輸出電壓可以是固定的，或者可利用電阻設定所需的輸出電壓來(lái)調節。

限流：升壓轉換器通常指定峰值電流限值而不是負載電流。請注意VIN and VOUT間的差異越大，可用負載電流越低。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 )決定很大可用輸出電流。

線(xiàn)路調整率： 線(xiàn)路調整率是指輸出電壓隨輸入電壓變化而發(fā)生的變化率。

負載調整率： 負載調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)出現輸出電壓過(guò)沖現象。某 些升壓轉換器的軟啟動(dòng)可通過(guò)外部電容調節。隨著(zhù)軟啟動(dòng)電容 充電，它會(huì )限制器件允許的峰值電流。憑借可調軟啟動(dòng)功能 可改變啟動(dòng)時(shí)間以滿(mǎn)足系統要求。

熱關(guān)斷（TSD）：當結點(diǎn)溫度超過(guò)規定的限值時(shí)，熱關(guān)斷電路就會(huì )關(guān)閉調節器。一直較高的結溫可能由工作電流高、冷 卻不佳或環(huán)境溫度高等原因引起。保護電路包括遲滯，以防止 發(fā)生熱關(guān)斷后，器件在片內溫度降至預設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)生的工作不穩定現象，并防止電源器件在電路無(wú)法控制它 時(shí)啟動(dòng)。

結束語(yǔ)

低功耗升壓調節器通過(guò)提供成熟計使開(kāi)關(guān)的設 DC-DC轉換器設設計變得簡(jiǎn)單。數據手冊應用部分提供了設計計算，ADIsimPower4 設計工具可簡(jiǎn)化很終用戶(hù)的任務(wù)。