自舉這項技術(shù)適用于大部分升壓轉換器，可以在轉換器的電壓降低時(shí)保持驅動(dòng)重負載。許多便攜式設計要求升壓轉換器將低電池電壓轉換為更高電壓，但是，隨著(zhù)電池電壓逐漸衰減，對升壓轉換器FET的驅動(dòng)力會(huì )降低，有時(shí)候會(huì )降低傳輸到輸出的電流。自舉技術(shù)克服了這一問(wèn)題，不但延長(cháng)了電池使用壽命，還增強了在驅動(dòng)重負載時(shí)的效率。
這些升壓轉換器專(zhuān)為提高效用而設計
ADP1612 是一款低成本高效率升壓轉換器，采用1.3 MHz，非常適合必須保持尺寸小巧的消費電子電路。其中內置關(guān)斷引腳，可以將靜態(tài)電流降低至低于2 μA，并以低至1.8 V的輸入電壓運行，因此非常適合電池供電的電子器件。但是，隨著(zhù)電池電壓降低，其峰值電流也會(huì )下降。如果在電池使用的最后幾小時(shí)內，需要平 緩處理，這是有利的，但是，在以低電池輸入電壓驅動(dòng)重負載時(shí)，這會(huì )導致出現問(wèn)題。自舉技術(shù)克服了這個(gè)問(wèn)題，在提供高輸出電流和高效率的同時(shí)，允許電池電壓降低至更低的水平。
通過(guò)升壓轉換器延長(cháng)電池壽命
圖1顯示了ADP1612的標準評估套件。其中增加了一個(gè)200 mΩ電流檢測電阻，與電池輸入串聯(lián)，用于測量輸入電流。在電池輸入電路中增加了一個(gè)大型電解電容，用于平滑電感器的電流峰值，以便能夠高度準確地測量檢測電阻上的平均電池電流。電池電壓由數字電壓表進(jìn)行測量，因此，可以用電池電壓乘以輸入電流來(lái)計算輸入功率。在輸出端增加阻性負載，用輸出功率除以輸入功率，計算得出轉換器的效率。
圖1. ADP1612的評估套件。
通過(guò)探測開(kāi)關(guān)節點(diǎn)(SW)，可以深入了解DC-DC轉換器是如何工作的。在FET接通時(shí)，電感電流升高，導致開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的底部電壓升高，幅度與FET的導通電阻成正比。此電壓越低，FET的導通電阻越低。因此，在給定電流下，FET中的損耗也越低。圖2顯示了采用非自舉配置的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)，電池電壓為2 V。開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的底部電壓峰值約為180 mV。
圖2. 開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓，2 V輸入，非自舉。
將電池電壓增大到3 V，可以得出圖3所示的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)波形。我們注意到，隨著(zhù)電池電壓升高，占空比走低，此外，開(kāi)關(guān)節點(diǎn)下半部的電壓明顯更低，峰值為約80 mV。但是，由于3 V電池電壓的FET電流低于2 V電池電壓，所以很難看出導通電阻是否確實(shí)降低。
圖3. 開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓，3 V輸入，非自舉。
之后，將圖1所示的電路轉換為自舉配置。自舉涉及到將ADP1612的VIN引腳連接至輸出電壓。該部分啟動(dòng)后，由更高的輸出電壓供電，因此會(huì )產(chǎn)生更強的驅動(dòng)力來(lái)驅動(dòng)FET，但ADP1612并不知道電池的電壓水平。經(jīng)過(guò)修改的電路如圖4所示。
圖4. 從輸出電壓自舉VIN引腳。
使能引腳可以連接至電池電壓VBATT，或連接至輸出電壓。如果電池電壓降至低于約1.7 V，將其連接至電池電壓會(huì )置位欠壓保護(UVLO)，但是，在將其連接至輸出電壓時(shí)，即使電池電壓降到遠低于此電壓的水平，ADP1612也可以繼續進(jìn)行開(kāi)關(guān)。
圖5顯示在電池電壓為2 V，測量輸出電壓為4.95 V時(shí)，非自舉和自舉配置的效率結果。
圖5. 輸入電壓為2 V時(shí)，ADP1612在非自舉配置和自舉(b/s)配置下的效率。
在圖5中，自舉配置的效率曲線(xiàn)用實(shí)線(xiàn)表示，在輕負載時(shí)明顯較低。這主要是因為，器件的靜態(tài)電流（約4 mA）現在來(lái)自于輸出電壓，實(shí)際上乘以了因數
我們還可以看出，在電池電壓降低時(shí)，因為FET驅動(dòng)力更高，所以自舉電路的重負載電流（高于約260 mA）的效率開(kāi)始改善。
圖6和圖7顯示在自舉模式下，開(kāi)關(guān)節點(diǎn)底部的電壓。需要注意的是，自舉電路只影響控制器IC的電源電壓，不會(huì )影響功率路徑（電感器和輸出二極管）。所以，現在我們可以直接比較2 V自舉和非自舉開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓（圖6和圖2），以及3 V自舉和非自舉開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓（圖7和圖3）。
圖6. 開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓，2 V輸入，自舉。
圖7. 開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓，3 V輸入，自舉。
在低電池電壓下，自舉電路具有明顯的優(yōu)勢。在2 V電池電壓下，非自舉開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓的峰值為180 mV，自舉電路的峰值僅為100 mV，表示導通電阻FET更低，導致的損耗也更低。在3 V電池電壓下，自舉電路似乎改善甚微乃至無(wú)改善，兩個(gè)開(kāi)關(guān)節點(diǎn)波形的峰值均為約80 mV。
最低可降至多低？
另一個(gè)有用實(shí)驗是，在輸出電壓開(kāi)始喪失穩壓性之前，查看電池電壓可降低至多低。圖8顯示自舉和非自舉模式之間的比較。
圖8. 負載電流與最小輸入電壓。
在非自舉電路中，我們可以看到，在電池電壓低于約1.7 V（如藍色曲線(xiàn)所示）時(shí)，UVLO電路激活。與之相反，圖4中所示的自舉電路的使能和VIN引腳均連接至輸出電壓(5 V)，所以，UVLO電路不會(huì )激活，允許電路以更低電壓運行。但是，該電路無(wú)法憑空產(chǎn)生功率。ADP1612提供峰值限流功能；所以，負載電流越高，所需的電池電壓也越高，才能達到固定峰值開(kāi)關(guān)電流所需的負載電流。也因此，圖8中的紅色曲線(xiàn)會(huì )在負載電流升高時(shí)，幾乎成線(xiàn)性增長(cháng)。
最低工作電壓由轉換器的最大占空比（約為90%）決定。根據公式
5 V輸出電壓和90%最大占空比表示最小電池電壓為0.5 V，這與圖表中所示的結果一致。
令人驚訝的是，在圖8中，當電池電壓高于2.2 V時(shí)，非自舉電路可以提供比自舉電路更高的負載電流。這是因為在由輸出電壓供電時(shí)，ADP1612在自舉模式下具有更高的靜態(tài)電流。此外，ADP1612的效率低于100%，這會(huì )進(jìn)一步增大在給定的負載電流下電路所需的輸入電流。因此，在自舉模式下，所需的輸入電壓（約150 mV）會(huì )稍高于在非自舉模式下所需的電壓。如之前所述，在更高的電池電壓下，自舉電路的優(yōu)勢并不明顯，而更高的柵極驅動(dòng)帶來(lái)的優(yōu)勢并不足以抵消自舉電路的靜態(tài)電流升高導致的損耗增加。
其他優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
自舉配置也會(huì )影響電路的啟動(dòng)電壓�，F在，ADP1612的VIN引腳由輸出供電，其電池電壓需要比非自舉電路高出一個(gè)肖特基二極管壓降。肖特基二極管中的壓降隨電流在約100 mV（電流約為50 μA）到高于200 mV（電流更高）之間變化。通過(guò)實(shí)驗發(fā)現，非自舉電路的啟動(dòng)電壓為約1.75 V（等于UVLO閾值），自舉電路的啟動(dòng)電壓則升高至約1.95 V。
結論：升壓轉換器是否已就緒？開(kāi)始提高效用
自舉技術(shù)適用于在啟動(dòng)時(shí)不會(huì )斷開(kāi)電池電壓和輸出之間連接的任何升壓轉換器�？梢酝ㄟ^(guò)使用具有非常低的靜態(tài)電流的器件來(lái)消除低下的輕載效率帶來(lái)的影響。更高的啟動(dòng)電壓并不總是問(wèn)題，因為在電池耗盡的情況下并不常需要啟動(dòng)電路。
如果在大部分使用情況下或高電池電壓下，電路的負載電流都相當輕，那么使用自舉技術(shù)可能徒勞無(wú)益。但是，如果是重負載，且電路需要繼續運行，直至電池電量耗盡那一刻，那么可以考慮使用自舉電路。 |
