所有便攜式設計的基礎—高效DC/DC轉換器
發布時間:2013-03-20 責任編輯:easonxu
【導讀】許多便攜式電子應用被設計成采用單節AA或AAA電池工作,這給電源設計工程師提出了挑戰。一個外部低電流肖特基二極管(雖然並不是必需的)將在較高輸出電流下最大程度地提高效率。
高效DC/DC轉換器是所有便攜式設計的基礎。許多便攜式電子應用被設計成采用單節AA或AAA電池工作,這給電源設計工程師提出了挑戰。從850mV~1.5V的輸入電壓產生一個恒定的3.3V係統輸出,要求同步升壓DC/DC轉換器能夠在固定開關頻率下工作,同時附帶片上補償電路,並且需要微型低高度電感和陶瓷電容,最好采用微型IC封裝以減少它在設備設計中的總占位麵積。
一個由薄型SOT IC封裝和少量外部元器件組成的經過驗證的電路設計,實現了一個僅占7×9mm2板麵積的效率為90%的單電池到3.3V/150mA轉換器。當在單電池輸入(1.5V)下工作時,25mA~80mA之間的負載電流可能實現90%以上的效率。一個外部低電流肖特基二極管(雖然並不是必需的)將在較高輸出電流下最大程度地提高效率。
這個電路設計集成了帶額定電阻值為0.35Ω(N)且典型電阻值為0.45Ω(P)的低柵電極電壓內部開關的高效DC/DC轉換器。在整個工作溫度範圍內,開關電流限製一般為850mA,從而在新的堿性AA單節電池輸入和兩節電池輸入時可分別實現0.66W和2.5W的輸出功率。
電流模式控製提供出色的輸入線路和輸出負載瞬態響應。斜坡補償(這是當占空比超過50%時用來防止分頻諧波不穩定性所必需的)可以整合到轉換器中,與電路一起保持恒流限製閾值,而不管輸入電壓是多少。
主要特性
先進電源管理IC設計的兩個特性會影響其工作效率:內nei部bu反fan饋kui機ji製zhi的de集ji成cheng和he可ke在zai工gong作zuo期qi間jian節jie省sheng能neng量liang的de節jie電dian模mo式shi的de加jia入ru。增zeng加jia的de內nei部bu反fan饋kui回hui路lu補bu償chang不bu再zai需xu要yao外wai部bu元yuan器qi件jian了le,從cong而er降jiang低di了le總zong成cheng本ben,簡jian化hua了le設she計ji過guo程cheng。通tong過guo僅jin在zai需xu要yao時shi激ji活huo電dian源yuan轉zhuan換huan器qi以yi將jiang輸shu出chu電dian壓ya調tiao製zhi保bao持chi在zai1%以內,節電工作模式提高了輕負載(ILOAD 《 3mA,典型值)時的轉換器效率。一旦輸出電壓在進行調製,轉換器會切換至睡眠狀態,從而減少柵電荷損失和靜態電流。不帶節電模式的類似IC將被強製在整個工作範圍內保持恒定的PWM,從而增加了靜態電流。雖然在一些頻率敏感的應用中恒頻PWM可能會受歡迎,但它會降低總係統效率。
關斷電流低於1mA,並且這個引腳上的磁滯允許對VIN進行簡單的阻性上拉從而連續工作。還要注意,在關斷過程中,VOUT保持低於VIN的未經過調製的600mV。當存儲器或實時時鍾必須在斷電期間保持激活時,這個特性特別有用。可以通過更改分壓器的電阻值輕鬆設定輸出電壓。
為了從電池電源獲得最高功效,DC/DC轉換器必須能夠在1V以下的輸入電壓下工作,並提供範圍在2.5V~5V之間的可調整輸出電壓。理想情況下,這種器件還將能夠在低至0.65V的輸入電壓下繼續工作,唯一的局限性在於輸入電源提供足夠功率的能力。
這個特性將消除對大的輸入旁路電容的需要,從而節省了板空間、降低了成本。在低至0.65V的輸入電壓下工作的能力,是從電量接近耗盡的電池中獲得更長使用壽命的重要特性。

圖1:能在低壓模式下工作的電源管理IC
以兩個由單節電池供電的便攜式設備為例,其電池使用壽命的比較表明,在理想測試條件下,電源管理IC在低壓模式下工作的能力使其可比傳統DC/DC轉換器多提供六個多小時的電池使用壽命。工作壽命延長40%為終端產品提供了明顯的優勢。比較情況如圖所示。
EMI抑製方法
當升壓轉換器在非連續模式下工作時(即功率傳動周期開始之前,電感電流降至零時),可能存在EMI問題。為了幫助降低電勢參考點,在電感電流為零且器件處於關斷狀態時,可將一個100Ω的內部阻尼電路跨接在電感上。
EMI和總性能質量也會受PCB布局的影響。高速工作的低壓輸入器件需要格外注意線路板布局,特別是處於涉及N溝道和P溝道開關切換的工作周期期間的高電流通路。SW引腳、VIN引腳CIN、COUT和地之間的電流通路應短而寬,以形成最低的固有電阻損耗和最低的漏電感。
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