便攜產(chǎn)品用新型電源DC-DC轉(zhuǎn)換器

為了減小體積和重量，低功耗便攜產(chǎn)品如PDA、掌上電腦、尋呼機和便攜式測量儀表等大多采用數(shù)量有限的電池供電。這就存在兩個重要問題：首先是隨著電池放電，其端電壓會明顯降低；其次是電池具有一定內(nèi)阻，而且隨著放電內(nèi)阻逐漸增大，在負載發(fā)生變化時造成輸出電壓的變化。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地工作，需要一個穩(wěn)定的電源電壓。

由于大多數(shù)情況需要提升電池電壓，簡單的三端線性穩(wěn)壓器無法滿足要求，只能采用升壓型開關(guān)穩(wěn)壓器。但是傳統(tǒng)的開關(guān)電源設(shè)計電路復雜、體積龐大、自身功耗較大，無法在體積和功耗要求嚴格的便攜式產(chǎn)品中使用。針對這個問題，Maxim公司研制了一系列高集成度電源管理方案。其中，新近推出的MAX1678、MAX1674/MAX1675/MAX1676系列升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器尤其適合1至3節(jié)電池供電的低功率便攜產(chǎn)品。

DC-DC轉(zhuǎn)換器原理

升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。開關(guān)K導通時電池B給電感L充電，在L中以場的形式儲存能量1/2LI2（I為電感電流）。K斷開后，L中的磁能又以電能的形式釋放給濾波電容C2和負載RL。周期性的開關(guān)操作使電池能量源源不斷地送入負載，而輸出電壓被轉(zhuǎn)換為：

Vout=Vin/(1-δ）

其中δ為開關(guān)占空比（導通時間占工作周期的比率）?？刂齐娐繁O(jiān)測輸出電壓并控制占空比，從而達到調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓的目的。控制方式最常見的有PFM（脈沖頻率調(diào)制）和PWM（脈沖寬度調(diào)制）兩種。前者具有較小的靜態(tài)電流，輕載情況下效率較高，但紋波稍大。后者在重載時具有較高效率，噪聲小。MAX1678和MAX1674/MAX1675/MAX1676系列升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器采用一種改進的限流PFM控制方式，控制電路限制電感充電電流，使其不超過某一峰值電流。既保持了傳統(tǒng)PFM的低靜態(tài)電流，同時在較重負載下也具有很高的效率，而且由于限制了峰值電流，采用很小體積的外圍元件就可獲得滿意的輸出紋波，利于降低電路的尺寸和成本。

除了控制方式的改進外，MAX1678和MAX1674/MAX1675/MAX1676還采用另外兩種技術(shù)以獲得更高的性能：提高效率的同步整流和降低EMI（電源干擾）的阻尼換流。圖1電路中，流過整流管D的平均電流ID等于負載電流，正向壓降VDF造成轉(zhuǎn)換效率的損失大約為VDF/Vout。即使采用正向壓降較低的肖特基二極管，VDF仍有0.4～0.6V，輸出電壓比較低時（如3.3V），這種損失不容忽視（可達18%）。同步整流就是采用另外一只MOSFET替代二極管作為整流器。由于MOSFET的溝道電阻非常低，使速流器的功耗大大降低，進一步改善了轉(zhuǎn)換效率(改善幅度達15%左右）。

另外，對于普通的DC-DC轉(zhuǎn)換器，如果用示波器觀察圖1中L和D的連接點處的波形， 可以觀察到振蕩現(xiàn)象。這是由于電感中的能量全部釋放給負載后整流器關(guān)斷，而此時在電感自身的寄生電容和引腳分布電容中還儲存有一定的能量，這些電容和電感L構(gòu)成的諧振電路在這些能量的作用下將發(fā)生振蕩，部分能量將以電磁波的形式向外輻射出去，造成對其它電路的干擾，在對噪聲敏感的應用中必須對其加以抑制。在MAX1678和MAX1676中采用了一種阻尼技術(shù)來抑制這種EMI。具體做法是，當電感中的能量釋放完畢后，在電感兩端接入一個電阻（200Ω），使諧振電路處于臨界阻尼或過阻尼狀態(tài)，將剩余能量消耗在電阻上，減小電磁輻射。

電路設(shè)計

MAX1678和MAX1674/MAX1675/MAX1676內(nèi)部已經(jīng)集成了功率開關(guān)、同步速流器和控制電路，外接元件只有一只儲能電感和輸入/輸出濾波電容，設(shè)計的主要任務就是根據(jù)實際需要選擇合適的元件，用這四種器件組成DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，如需加入開關(guān)阻尼，對于MAX1678需將BATT引腳接到電感連接電池的一端，對于MAX1676需通過一只200Ω電阻將BATT引腳與電感連接電池的一端相連。

電感的選擇

儲能電感是影響DC-DC轉(zhuǎn)換器性能的關(guān)鍵器件，主要考慮的參數(shù)有電感量、飽和電流和直流電阻。一般22μH～47μH的電感可以滿足大多數(shù)應用的要求。較大的電感量有利 于減小電流的脈動，降低輸出紋波，并增大輸出電流容量（MAX1678例外）。在體積和成本允許的情況下應選用飽和電流比較大的電感，因為當磁芯接近飽和時損耗增大，會降低轉(zhuǎn)換效率。電感的飽和電流至少應大于輪換器的峰值電流。電感的直流電阻會消耗一會的功率，在體積和成本許可的情況下應選用直流電阻盡量小的電感。另外對于低噪聲應用，為降低電源的EMI，最好選用具有閉合磁芯的電感。

濾波電容的選擇

選擇濾波的電容的主要依據(jù)是系統(tǒng)對電源紋波的要求。濾波電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）是造成輸出紋波的主要因素，而且也會影響到轉(zhuǎn)換效率，應選用低ESR的電容。陶瓷電容和鉭電解電容具有較低的ESR，也可選用低ESR的鋁電解電容，但應盡量避免標準鋁電解電容。容量一般在10μF～100μF，對于較重的負載應選取大一點的電容。較大容量的濾波電容有利于改善輸出紋波和瞬態(tài)響應。