智能手機、GPS 導航系統和平板電腦等便攜式電子設備的電源可能來自低壓太陽能電池板、電池或交流到直流電源。電池供電系統通常串聯堆疊電池以實現更高的電壓，但由于空間不足，這并不總是可行的。開關轉換器利用電感的磁場交替存儲能量，并以不同的電壓將其釋放到負載。損耗低，是高效率的不錯選擇。連接到轉換器輸出的電容器可降低輸出電壓紋波。此處介紹的升壓或升壓轉換器提供更高的電壓;降壓或降壓轉換器 — 在上一篇文章中介紹1—提供更低的輸出電壓。包含內部FET作為開關的開關轉換器稱為開關穩壓器，2而需要外部 FET 的器件稱為開關控制器。
圖1所示為由兩節串聯AA電池供電的典型低功耗系統。電池的可用輸出范圍約為1.8 V至3.4 V，而IC需要1.8 V和5.0 V才能工作。升壓轉換器可以在不增加電池數量的情況下升壓，為 WLED 背光、微型硬盤驅動器、音頻和 USB 外設供電，而降壓轉換器則為微處理器、存儲器和顯示器供電。
圖1.典型的低功耗便攜式系統。
電感器具有抵抗電流變化的傾向，因此可實現升壓功能。充電時，電感器充當負載并存儲能量;放電時，它充當能量源。放電階段產生的電壓與電流的變化率有關，而不是與原始充電電壓有關，因此允許不同的輸入和輸出電壓電平。
升壓穩壓器由兩個開關、兩個電容和一個電感組成，如圖2所示。非重疊開關驅動器可確保一次只有一個開關導通，以避免不必要的擊穿電流。在第 1 階段（t上），開關 B 打開，開關 A 關閉。電感接地，因此電流從V流出在接地。由于電感兩端的正電壓，電流增加，能量存儲在電感中。在第 2 階段 （t關閉），開關 A 打開，開關 B 關閉。電感器連接到負載，因此電流從V流出在到負載。由于電感兩端的負電壓，電流減小，存儲在電感中的能量被釋放到負載中。
圖2.降壓轉換器拓撲和工作波形。
請注意，開關穩壓器操作可以是連續的，也可以是不連續的。在連續導通模式（CCM）下工作時，電感電流永遠不會降至零;在非連續導通模式（DCM）下工作時，電感電流可能降至零。電流紋波，顯示為 Δ我L在圖2中，使用Δ我L = (V在× 噸上)/L. 平均電感電流流入負載，而紋波電流流入輸出電容。
圖3.升壓穩壓器集成了振蕩器、PWM 控制環路和開關 FET。
使用肖特基二極管代替開關B的穩壓器被定義為異步（或異步），而使用FET作為開關B的穩壓器被定義為同步。在圖3中，開關A和B分別采用內部NFET和外部肖特基二極管實現，以創建異步升壓穩壓器。對于需要負載隔離和低關斷電流的低功耗應用，可以添加外部FET，如圖4所示。將器件的EN引腳驅動至0.3 V以下可關斷穩壓器，并完全斷開輸入與輸出的連接。
圖4.ADP1612/ADP1613典型應用電路。
現代低功耗同步降壓穩壓器使用脈寬調制（PWM）作為主要工作模式。PWM保持頻率恒定并改變脈沖寬度（t上） 來調節輸出電壓。提供的平均功率與占空比D成正比，使其成為為負載供電的有效方式。
例如，對于 15 V 的所需輸出電壓和 5 V 的可用輸入電壓，
D = （15 – 5）/15 = 0.67 或 67%。
能量是守恒的，因此輸入功率必須等于輸送到負載的功率減去任何損耗。假設轉換非常有效，則基本功率計算中可以省略少量的功率損耗。因此，輸入電流可以近似為
例如，如果負載電流在15 V時為300 mA，我在5 V 時 = 900 mA—輸出電流的三倍。因此，可用負載電流隨著升壓電壓的增加而減小。
升壓轉換器使用電壓或電流反饋來調節所選輸出電壓;控制環路使輸出能夠保持調節以響應負載變化。低功耗升壓穩壓器的工作頻率通常在600 kHz至2 MHz之間。較高的開關頻率允許使用更小的電感器，但開關頻率每增加一倍，效率就會下降約2%。在ADP1612和ADP1613升壓轉換器（見附錄）中，開關頻率可通過引腳選擇，工作頻率為650 kHz以實現最高效率，工作頻率為1.3 MHz以實現最小的外部元件。將 FREQ 連接到 GND 以實現 650kHz 操作，或連接到 VIN 以實現 1.3-MHz 操作。
電感器是升壓穩壓器的關鍵元件，在電源開關導通期間存儲能量，并在關斷期間通過輸出整流器將該能量傳輸到輸出端。為了平衡低電感電流紋波和高效率之間的權衡，ADP1612/ADP1613數據手冊建議電感值在4.7 μH至22 μH范圍內。通常，對于給定的物理尺寸，較低值的電感具有較高的飽和電流和較低的串聯電阻，但較低的電感會導致較高的峰值電流，從而導致效率降低、紋波增加和噪聲增加。通常最好在不連續導通模式下運行升壓，以減小電感尺寸并提高穩定性。峰值電感電流（最大輸入電流加上電感紋波電流的一半）必須低于電感的額定飽和電流;穩壓器的最大直流輸入電流必須小于電感的均方根額定電流。
主要升壓穩壓器規格和定義
輸入電壓范圍：升壓轉換器的輸入電壓范圍決定了最低可用輸入電源電壓。規格可能顯示較寬的輸入電壓范圍，但輸入電壓必須低于V外實現高效運行。
接地或靜態電流：未輸送到負載的直流偏置電流（我q).越低我q效率越好，但是我q可在多種條件下指定，包括關斷、零負載、PFM 操作或 PWM 操作，因此最好查看特定工作電壓和負載電流下的運行效率，以確定適合應用的最佳升壓穩壓器。
關斷電流：使能引腳設置為關斷時消耗的輸入電流。 低我q對于電池供電設備處于睡眠模式時的長待機時間非常重要。
開關占空比：工作占空比必須低于最大占空比，否則輸出電壓將無法調節。例如，D = （V外– V在)/V外.跟V在= 5 V 和V外= 15 V， D = 67%。ADP1612和ADP1613的最大占空比為90%。
輸出電壓范圍：設備將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，也可以是可調的，使用電阻器來設置所需的輸出電壓。
電流限制：升壓轉換器通常指定峰值電流限制，而不是負載電流。請注意，兩者之間的差異越大V在和V外，可用負載電流越低。峰值電流限值、輸入電壓、輸出電壓、開關頻率和電感值都設置了最大可用輸出電流。
線路調整率：線路調整率是由輸入電壓的變化引起的輸出電壓變化。
負載調整率：負載調整率是輸出電壓隨著輸出電流的變化而變化。
軟啟動：升壓穩壓器必須具有軟啟動功能，該功能在啟動時以受控方式斜坡上升輸出電壓，以防止啟動時輸出電壓過沖。某些升壓轉換器的軟啟動可通過外部電容器進行調節。當軟啟動電容器充電時，它會限制器件允許的峰值電流。通過可調軟啟動，可以改變啟動時間以滿足系統要求。
熱關斷 （TSD）：如果結溫升至指定限值以上，熱關斷電路將關閉穩壓器。持續的高結溫可能是高電流操作、電路板冷卻不良或環境溫度高的結果。保護電路包括遲滯，因此在熱關斷發生后片內溫度降至預設限值以下之前，器件不會恢復正常工作狀態。
欠壓鎖定（UVLO）：如果輸入電壓低于UVLO閾值，IC自動關閉電源開關并進入低功耗模式。這可以防止在低輸入電壓下潛在的不穩定工作，并防止功率器件在電路無法控制時導通。
結論
低功耗升壓穩壓器通過提供經過驗證的設計，消除了開關DC-DC轉換器設計的后顧之憂。設計計算可在數據手冊的應用部分和ADIsimPower中找到。4設計工具簡化了最終用戶的任務。 |
