升壓轉換器功率級

正如“升壓”和“升壓”這兩個(gè)名稱(chēng)所暗示的那樣，我們今天討論的拓撲可以實(shí)現高于輸入電壓的輸出電壓。這與效率的提高一起代表了開(kāi)關(guān)模式相對于線(xiàn)性調節的關(guān)鍵優(yōu)勢，因為后者無(wú)法產(chǎn)生高于 V IN的 V OUT。

然而，使用開(kāi)關(guān)模式技術(shù)，我們所需要的只是對用于降壓轉換器的相同簡(jiǎn)單組件進(jìn)行不同的布置。圖 1 顯示了這種升壓布置的樣子。

圖 1.升壓穩壓器的電路圖。圖片由羅伯特·凱姆提供

現在我將為 LTspice 創(chuàng )建一個(gè)升壓轉換器設計。與 LTspice 降壓轉換器一樣，我將使用壓控開(kāi)關(guān)而不是晶體管。

我的實(shí)現如下圖 2 所示：它代表了一個(gè)用于低電壓、電池供電應用的電路，我選擇的值反映了這一點(diǎn)。我將在下一節中詳細介紹這一點(diǎn)。

圖 2.在 LTspice 中實(shí)現的升壓轉換器原理圖。圖片由羅伯特·凱姆提供

它是升壓調節器還是升壓轉換器？查看什么是開(kāi)關(guān)穩壓器？回顧術(shù)語(yǔ)和基本概念。

工作參數和元件值

在根據該原理圖運行仿真之前，讓我們考慮一下升壓轉換器的參數。

輸入和輸出電壓

升壓轉換器的 2.5 V 電源提供輸入電壓，我們可以從一對部分放電的堿性紐扣電池獲得。不過(guò)，與其他開(kāi)關(guān)一樣，完整的電路（即功率級與用于輸出電壓調節的反饋系統相結合）將與一系列輸入電壓兼容。因此，同一電路可以與 3 V 鋰離子紐扣電池或單個(gè)堿性電池組合。

指定的輸出電壓為 5 V。我可以想象一種設備，其中該 5 V 直接為一些更高功率的驅動(dòng)電路和連接的傳感器或繼電器模塊供電，5 V 隨后通過(guò)一個(gè)或多個(gè)緊湊的線(xiàn)性穩壓器以實(shí)現更低的電壓功率數字電路和高精度模擬電路。我喜歡這種電源管理解決方案：盡管電池電壓逐漸降低，但它為我們提供了穩定的 5 V 電源軌，可以直接或間接地為系統中的所有組件可靠供電。

占空比

升壓調節器的輸入電壓、輸出電壓和占空比之間的理想關(guān)系如下：

我們的 V IN = 2.5 V 和 V OUT = 5 V。由于我不會(huì )故意將非理想因素納入模擬中，因此我會(huì )將效率保留為 100%。這給我們提供了 50% 的占空比。

對于那些還沒(méi)有閱讀過(guò)前面文章的人，我想強調的是，我們不能依靠固定的占空比來(lái)產(chǎn)生所需的輸出電壓。上面的等式為我們提供了一個(gè)起點(diǎn)，但在實(shí)際實(shí)現中，我們將依靠閉環(huán)控制來(lái)根據需要調整占空比，以維持適當的 V OUT。

電感

我使用公式確定了 LTspice 降壓轉換器的原始電感值。然而，當我嘗試對升壓轉換器使用相同的方法時(shí)，我的次嘗試產(chǎn)生的電感值比我希望在緊湊型低壓設備中使用的電感值大一個(gè)數量級。

幸運的是，這種計算出的電感對于成功的轉換器操作來(lái)說(shuō)并不是必需的：我沒(méi)有尋找不同的公式，而是選擇了一個(gè)符合我建議的尺寸限制的值并使用它。圖 2 中所示的 2 μH 電感基于德州儀器 (TI) 應用筆記中的升壓轉換器電感建議，其中還包含我初使用的公式以及有關(guān)電感器選擇的其他有用信息。

開(kāi)關(guān)頻率

因為我選擇了相當小的電感，所以我還選擇了更高的開(kāi)關(guān)頻率。這是開(kāi)關(guān)穩壓器設計中的基本關(guān)系之一：較高的開(kāi)關(guān)頻率可實(shí)現較低的電感。我的 f OSC為 2 MHz，這對于切換器來(lái)說(shuō)相當高，但并非不切實(shí)際。

輸出電容

您可以使用以下公式根據預期輸出電流 (I OUT )、占空比 (D)、開(kāi)關(guān)頻率 (f OSC ) 和所需輸出紋波 (ΔV OUT ) 計算滿(mǎn)意的輸出電容：

不過(guò)，根據我上面描述的應用特性，沒(méi)有特別需要保持低紋波。正如我在本文前面所建議的，該電路還可以連接到線(xiàn)性穩壓器，在這種情況下，它將受益于線(xiàn)性穩壓器的紋波抑制功能。

我終決定跳過(guò)計算。與電感一樣，我使用了現實(shí)集成電路的建議來(lái)得出我認為性能和尺寸之間良好折衷的值。

線(xiàn)性穩壓器 PSRR

當我們討論這個(gè)主題時(shí)，線(xiàn)性穩壓器的紋波抑制能力用 PSRR（電源抑制比）來(lái)??衡量。PSRR根據多個(gè)參數波動(dòng)，包括頻率；下圖（圖 3）顯示了這種波動(dòng)。

圖 3.PSRR與紋波頻率的關(guān)系圖。圖片由德州儀器 (TI)提供

PSRR（以分貝為單位）相對于紋波頻率（以赫茲為單位）的圖表。 它表明，一旦頻率超過(guò) 10k Hz 閾值，PSRR 就會(huì )降低并且變得不太穩定。

盡管我們在 2 MHz 時(shí)仍有大量衰減，但如果您計劃使用線(xiàn)性穩壓器來(lái)降低輸出紋波幅度，則該圖提供了支持選擇較低開(kāi)關(guān)頻率的論據。

二極管反向恢復時(shí)間

我們還有一個(gè)參數需要討論：轉換器二極管的反向恢復時(shí)間，這對于開(kāi)關(guān)穩壓器尤其重要（如果您有興趣了解更多信息，這篇關(guān)于為您的電源電路選擇正確的整流器的文章是一個(gè)很好的資源） 。

雖然我在降壓轉換器中使用了標準二極管，但在升壓轉換器中我選擇了肖特基二極管。肖特基二極管通常是開(kāi)關(guān)穩壓器的，因為它們可以更有效地在導通和非導通狀態(tài)之間切換，并且導通時(shí)具有較低的壓降。