高效率DC-DC轉(zhuǎn)換器三項基本技術(shù)

DC-DC 開關(guān)轉(zhuǎn)換器的作用是將一個直流電壓有效轉(zhuǎn)換成另一個。高效率DC-DC轉(zhuǎn)換器采用三項基本技術(shù)：降壓、升壓，以及降壓/升壓。降壓轉(zhuǎn)換器用于產(chǎn)生低直流輸出電壓，升壓轉(zhuǎn)換器用于產(chǎn)生高直流輸出電壓，降壓/升壓轉(zhuǎn)換器則用于產(chǎn)生小于、大于或等于輸入電壓的輸出電壓。本文將重點介紹如何成功應(yīng)用降壓/升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。

　　圖1所示為采用單個單元的鋰離子電池供電的典型低功耗系統(tǒng)。電池的可用輸出范圍為放電時的約3.0 V到充滿電時的4.2 V。系統(tǒng)IC需要1.8 V、3.3 V、和3.6 V的電壓，以實現(xiàn)最佳工作狀態(tài)。鋰離子電池開始工作時的電壓為4.2 V，結(jié)束工作時的電壓為3.0 V，在此過程中，降壓/升壓調(diào)節(jié)器可以提供3.3 V的恒定電壓，而降壓調(diào)節(jié)器或低壓差調(diào)節(jié)器（LDO）則可在電池放電時提供1.8 V的電壓。理論上，當(dāng)電池電壓高于3.5 V時，可使用降壓調(diào)節(jié)器或LDO產(chǎn)生3.3 V電壓，但當(dāng)電池電壓降至3.5 V以下時，系統(tǒng)就會停止工作。允許系統(tǒng)過早關(guān)閉會減少電池需要重新充電前的系統(tǒng)工作時間。

　　圖1. 典型低功耗便攜式系統(tǒng)

降壓/升壓調(diào)節(jié)器內(nèi)置四個開關(guān)、兩個電容和一個電感，如圖2所示。如今的低功耗、高效率降壓/升壓調(diào)節(jié)器在降壓或升壓模式下工作時，只要主動操作其中兩個開關(guān)，就可以降低損耗，提高效率。

　　圖2. 降壓/升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　當(dāng)VIN大于 VOUT， 時，開關(guān)C斷開，開關(guān)D閉合。開關(guān)A和B的工作方式和在標(biāo)準(zhǔn)降壓調(diào)節(jié)器中一樣，如圖3所示。

　　圖3.Buck mode when VIN 》 VOUT時的降壓模式

　　當(dāng) VIN小于VOUT，時，開關(guān)B斷開，開關(guān)A閉合。開關(guān)C和D的工作方式和在升壓調(diào)節(jié)器中一樣，如圖4所示。最困難的工作模式是當(dāng)VIN 處在VOUT ± 10%， 范圍內(nèi)時，此時調(diào)節(jié)器會進入降壓/升壓 模式。在降壓/升壓模式下，兩種操作（降壓和升壓）會在一個開關(guān)周期內(nèi)發(fā)生。應(yīng)特別注意降低損耗、優(yōu)化效率，以及消除由于模式切換造成的不穩(wěn)定性。這么做的目標(biāo)是保持電壓穩(wěn)定，使電感中的電流紋波降至最低，保證良好的瞬態(tài)性能。

　　圖4.BoostVIN

　　對于高負(fù)載電流，降壓/升壓調(diào)節(jié)器采用電流模式、固定頻率、脈沖寬度調(diào)制 （PWM）控制，以獲得出色的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)。為確保便攜式應(yīng)用的電池壽命最長，還采用了省電模式，在輕載時可降低開關(guān)頻率。對于無線應(yīng)用和其它低噪聲應(yīng)用，可變頻率省電模式可能會引起干擾，通過增加邏輯控制輸入，可強制轉(zhuǎn)換器在所有負(fù)載條件下均以固定頻率PWM方式工作。