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DC-DC升壓芯片的作用及PCB布局技巧
文章來源:永阜康科技 更新時間:2020/6/19 13:34:00
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DC-DC 升壓轉換器的作用

典型的可穿戴式設備或便攜式設備使用了鋰離子電池,標稱輸出為 3.6 伏直流電。大多數電池供電的應用都依賴于一個或多個串聯的鋰離子電池來提供主供電電壓。雖然這足以滿足大多數應用的需求,但筆記本電腦、平板電腦和其他移動設備具有的一些特定功能需要更高的電壓。

這樣的例子包括白光發光二極管 (LED) 背光驅動、射頻收發器、精密模擬電路,以及光接收器中的雪崩光電二極管 (APD) 的偏置電路。升壓 DC-DC 穩壓器可將低輸入電壓轉換為高輸出電壓,從而滿足這些應用需求。

采用以下設計技巧來優化效率

在已經討論的一些器件中,制造商已在內部固定了一些參數,但設計人員通常還要在幾個方面進行取舍,以優化轉換效率。此外,他們還必須根據適用的指導準則,慎重地選擇正確的外部元器件。

開關頻率: 雖然開關頻率不會直接影響輸出電壓,但它會對電源設計產生很大影響。一般來說,對于特定應用,在開關頻率更高的情況下,設計人員能夠使用更小的電感器和電容器。電感器尺寸主要取決于允許的紋波電流大小。對于特定的電感,隨著開關頻率提高,紋波電流減。杭俣ㄓ卸喾N器件可選,設計人員可在較高的開關頻率和較小的電感器之間達到平衡,同時保持相同大小的紋波電流。

較高的工作頻率可為開關穩壓器提供更大的帶寬,縮短瞬態響應時間。較小的電感器還可減少電源的尺寸和成本。

電感器選擇: 電感器是升壓轉換器的一個關鍵元件:能在電源開關接通期間存儲能量,并在關斷期間將存儲的能量通過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擁有較高的飽和電流和較低的串聯電阻,但較低電感會導致更高的峰值電流,進而使能效降低,紋波增大和噪聲提高。

在選擇合適的電感器時,電感器的額定飽和電流必須大于電感器峰值電流,電感器的 RMS 額定電流必須大于穩壓器的最大直流輸入電流。

大多數升壓穩壓器的規格書都包括了針對不同負載電流和電壓的建議:我們上文介紹的來自 Microchip 的 MCP1665 的規格書建議,對于 15 伏以下的輸出電壓,使用 Panasonic Electronic Components 的 ELL-8TP4R7NB 4.7 微亨 (µH) 電感器;對于更高的輸出電壓,使用 Wurth Electronics 的 7447714100 10 µH 電感器。

二極管選擇

在非同步設計中,應該使用正向電壓較低的肖特基二極管來減少損耗。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。二極管的重復峰值正向額定電流必須等于或高于電感器峰值電流,二極管的反向擊穿電壓必須高于內部電源開關額定電壓。

例如,MCP1665 帶有 36 伏特的內部開關,能夠提供高達 1 安培的電流。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 40 伏特,正向電流為 2 安培。

在高溫下,二極管的漏電電流也可能對轉換器的工作效率產生重大影響。對于較高的電流和環境溫度,請使用具有良好熱特性的二極管。

輸入和輸出電容器: 在升壓拓撲中,電感器的作用是消除為穩壓器電路供電的電源電路的瞬態需求,從而減少所需的輸入濾波。X5R 等級的陶瓷電容器通常足以滿足 +85°C 工作溫度的需求,但對于 +125°C 的工作溫度,可能需要低 ESR 的 X7R 電容器。

如果電源的阻抗過高,無法將輸入電壓保持在高負載階躍下的欠壓定閾值之上,則還可能需要其他的電解電容器或鉭電容器。

在負載側,輸出電容器可減少負載紋波,幫助在負載瞬態期間提供穩定的輸出電壓。建議使用 X7R 陶瓷電容器作為輸出電容器:其他類型的電容器可能具有較高的 ESR,會降低轉換器效率。

電容器的 DC 額定值應該適當高于最大輸出電壓 VOUT,因為當接近最大電壓時,陶瓷電容器會損失效率。有關電容器選擇的建議,請查詢規格書。

升壓穩壓器布局注意事項: 升壓穩壓器具有高速開關特征,因此其性能對 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) 過大,甚至因高電壓尖峰而導致故障。

因此,設計人員應對 PCB 布局給予高度關注,并使用以下技巧:

  1. 輸出電容器的位置應該靠近器件,并使用短而寬的走線進行連接,以最大程度減少可能導致電壓瞬時振蕩和尖峰的寄生電感。多個過孔有助于降低寄生電容。

  2. 放置輸出電容器之后,將電感器放置在靠近 IC 的位置,以降低產生的電磁干擾。由于 SW 節點(參見圖 2、3、4)存在電氣噪聲,因此反饋 (FB) 信號和其他敏感走線應該遠離此節點。

  3. 輸入電容器的接地節點也應該靠近 IC 電源接地引腳,以最大程度減小回路面積。

  4. 要達到最佳熱性能,布局應該包括從器件導熱墊(如適用)一直到地平面的散熱過孔;這樣可以改進散熱,降低熱關斷的風險。

  5. 電源接地、信號接地和導熱墊應該在單個低阻抗接地點連接在一起。

總結

升壓穩壓器讓我們能夠使用高電壓電路功能,在電池供電的便攜式設備和可穿戴設備的設計中,它扮演著非常重要的角色。但是,設計人員必須選擇適合所需升壓應用的器件,并且注意多種關鍵設計權衡和最佳實踐。

 
 
 
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