在便攜和可穿戴設備等電池供電的低電壓應用中，常有一些功能需要較高的電壓才能工作，例如射頻收發(fā)器、精密模擬電路、白光LED背光驅動(dòng)、雪崩光電二極管(APD)的偏置電路等。這就需要采用DC-DC升壓轉換器來(lái)向上轉換到所需的電壓，讓設備既節能又高效的工作。
升壓穩壓器特點(diǎn)
為滿(mǎn)足低壓應用中的某些特定的較高電壓需求，升壓DC-DC穩壓器將低輸入電壓轉換為高輸出電壓，典型電路組成包括：電感器、功率MOSFET、整流二極管、控制IC、輸入和輸出電容器。
圖 1：基本升壓穩壓器配置
常見(jiàn)的改進(jìn)型配置一般使用兩個(gè)MOSFET，第二個(gè)MOSFET替換整流二極管，在電源開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)打開(kāi)。MOSFET具有較低的電壓降，這大幅減少了功耗，同時(shí)提高了穩壓器的效率。
此外，有些穩壓器還帶有保護功能，針對超溫、輸出短路、開(kāi)路負載條件和輸入過(guò)流等情況提供保護。
外圍元器件選擇
轉換效率是衡量DC-DC升壓電路的重要指標，而造成功耗損失的主要是電感的寄生串聯(lián)電阻（ESR）、肖特基二極管的正向導通壓降、功率管的導通電阻以及開(kāi)關(guān)損耗這四個(gè)方面。當然，芯片本身也有靜態(tài)功耗，這在低負載情況下會(huì )影響轉換效率，因此要求芯片內部的功率管導通電阻也需非常小。同時(shí)，芯片內部要設計合適的驅動(dòng)電路，保證功率管開(kāi)關(guān)沿很陡，以減小開(kāi)關(guān)時(shí)的功耗。
電感和肖特基二極管選擇的不同會(huì )影響轉換效率，電容和電感選擇的不同會(huì )影響輸出的紋波。選擇合適的電感、電容、肖特基二極管，可以獲得高轉換效率、低紋波、低噪聲。
1、電感選擇
電感器是升壓轉換器的一個(gè)關(guān)鍵元件：能在電源開(kāi)關(guān)接通期間存儲能量，并在關(guān)斷期間將存儲的能量通過(guò)輸出整流二極管傳輸至輸出。
設計人員必須在低電感器電流紋波與高效率之間達到平衡。對于給定的物理尺寸，電感較低的電感器會(huì )擁有較高的飽和電流和較低的串聯(lián)電阻，但較低電感會(huì )導致更高的峰值電流，進(jìn)而使能效降低，紋波增大和噪聲提高。
電感器的電感值與最小電感值Lmin、電流紋波等有關(guān)。計算具體電感值時(shí)，須留意占空比（D）參數，具體大小為：D = (Vout-Vin)/Vout。
第一，要保證使DC-DC升壓能夠在連續電流模式下正常工作所需要的最小電感值Lmin。
該公式是在連續電流模式下，忽略其他諸如寄生電阻、二極管的導通壓降的情況下導出的，實(shí)際的值還要大一些。如果電感取值小于Lmin，電感可能會(huì )發(fā)生磁性飽和，造成DC-DC電路的效率大大下降，甚至不能正常輸出穩定電壓。
第二，考慮到通過(guò)電感的電流紋波問(wèn)題，同樣在連續電流模式下忽略寄生參數，
當L過(guò)小時(shí)，會(huì )造成電感上的電流紋波過(guò)大，造成通過(guò)電感、肖特基二極管和芯片中的功率管的最大電流過(guò)大。由于功率管并不是理想的，所以在特別大的電流時(shí)功率管上的功率損耗會(huì )加大，導致整個(gè)DC-DC電路的轉換效率降低。
第三，一般來(lái)說(shuō)，不考慮效率問(wèn)題時(shí)，小電感可以帶動(dòng)的負載能力強于大電感。但是由于在相同負載條件下，大電感的電流紋波和最大電流值小，所以大電感可以使得電路在更低的輸入電壓下啟動(dòng)（以上均是在相同的寄生電阻條件下推導出的結論）。
為了減小外接電感尺寸，可提高工作頻率。例如350KHz工作頻率，只需要3.3uH以上的電感就可以保證正常工作，但是如果輸出端需要輸出大電流（例如：輸出電流大于50mA），為了提高工作效率，建議使用較大電感。
在大負載情況下，電感的串聯(lián)電阻會(huì )極大地影響轉換效率，假設電感的電阻為rL，負載電阻為Rload，那么在電感的功率損耗大致如下式計算：
綜合考慮，建議使用27uH、
2、輸出電容選擇
輸出電容器可減少負載紋波，幫助在負載瞬態(tài)期間提供穩定的輸出電壓。當考慮電容的ESR時(shí)，輸出電壓的紋波為：
為了減小輸出的紋波，需要比較大的輸出電容值。但是輸出電容過(guò)大，就會(huì )使得系統的反應時(shí)間過(guò)慢，所以建議使用100uF電容。如果需要更小的紋波，則需要更大的電容。
當輸出連接大負載的時(shí)候，ESR造成的紋波將成為最主要的因素，同時(shí)ESR又會(huì )增加效率損耗，降低轉換效率。所以建議使用ESR低的鉭電容，或者多個(gè)或X7R陶瓷電容器并聯(lián)使用。其他類(lèi)型的電容器可能具有較高的ESR，會(huì )降低轉換器效率。
3、二極管
用于整流二極管對DC-DC效率影響很大，雖然普通的二極管也能夠使得DC-DC電路工作正常，但是會(huì )降低5~10%的效率，所以建議使用正向導通電壓低、反應時(shí)間短的肖特基二極管，例如1N5817、1N5819、1N5821、1N5822等。
具體參數上，二極管的平均正向額定電流必須等于或高于最大輸出電流，重復峰值正向額定電流必須等于或高于電感器峰值電流，反向擊穿電壓必須高于內部電源開(kāi)關(guān)額定電壓。
例如，MCP1665帶有36V的內部開(kāi)關(guān)，能夠提供高達1A的電流。因此，Microchip建議使用STMicroelectronics供應的STPS2L40VU肖特基二極管，該器件的反向擊穿電壓為40V，正向電流為2A。
4、輸入電容
如果輸入電源穩定，即使沒(méi)有輸入濾波電容，DC-DC電路也可以輸出低紋波、低噪聲的電流電壓。但是當電源離DC-DC電路較遠，建議在DC-DC的輸入端加上10uF以上的濾波電容，用于減小輸出的噪聲。
DC-DC升壓穩壓器具有高速開(kāi)關(guān)特征，對PCB布局非常敏感：寄生電感和電容可能導致高輸出紋波、輸出穩壓效果不佳、電磁干擾 (EMI) 過(guò)大，甚至因高電壓尖峰而導致故障。因此，外圍元件應靠近IC芯片，接地節點(diǎn)應靠近IC電源接地引腳，以最大程度減小回路面積，電源接地、信號接地和導熱墊也應該在單個(gè)低阻抗接地點(diǎn)連接在一起。 |
