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DC-DC升压转换器拓扑,专为便携式设备和可穿戴式设备应用开发考量

2018-3-16 11:06| 来源:新老虎机赢现金游戏大厅 责任:可以赢现金的老虎机app 发布者: 维修家园| 查看: 38| 评论: 0

摘要: 在便携和可穿戴式设备应用的驱动下,很多设计正在朝着 3.6 伏或更低供电电压的方向发展。但是,很多便携式设备的某些功能又需要更高的电压,这就要求设计人员通过以最佳方式实施的 DC-DC 升压转换器,尽可能高效地向 ...

在便携和可穿戴式设备应用的驱动下,很多设计正在朝着 3.6 伏或更低供电电压的方向发展。但是,很多便携式设备的某些功能又需要更高的电压,这就要求设计人员通过以最佳方式实施的 DC-DC 升压转换器,尽可能高效地向上转换到所需的电压。

  本文将回顾 DC-DC 升压稳压器的用途,并介绍它们的拓扑。随后,本文还将介绍一些实例器件,讨论为便携式设备和可穿戴式设备应用开发最佳设计所需的设计技术和考量。

  DC-DC 升压转换器的作用

  典型的可穿戴式设备或便携式设备使用了锂离子电池,标称输出为 3.6 伏直流电。大多数电池供电的应用都依赖于一个或多个串联的锂离子电池来提供主供电电压。虽然这足以满足大多数应用的需求,但笔记本电脑、平板电脑和其他移动设备具有的一些特定功能需要更高的电压。

  这样的例子包括白光发光二极管 (LED) 背光驱动、射频收发器、精密模拟电路,以及光接收器中的雪崩光电二极管 (APD) 的偏置电路。升压 DC-DC 稳压器可将低输入电压转换为高输出电压,从而满足这些应用需求。

  典型升压转换器拓扑

  升压稳压器的关键元器件包括:电感器;半导体开关,通常为功率 MOSFET;整流器二极管;集成电路 (IC) 控制块;输入和输出电容器(图 1)。

  

  图 1: 基本升压稳压器配置,显示当开关打开和关闭时的电流方向(图片来源: Digi-Key Electronics,基于 Texas Instruments 提供的原始资料)

  当施加 VIN 电压且电源开关关闭时,电流沿着蓝色路径,通过电感器流到地。电感器将电能存储在其磁场中。二极管反向偏置,随着其存储的电能供应给负载,输出电容器两端的电压降低。

  相反,当电源开关打开时,电流沿着红色路径流动,因为崩溃的磁场产生正电压,并通过正向偏置的二极管传输电感器电能,为输出电容器充电并供应给负载。

  通过改变电源开关的占空比,控制块保持恒定的输出电压,以响应输入电压变化和负载变化。输出端的电阻分压器可为控制块提供电压反馈,以便调节占空比并保持所需的输出电压值。

  除了这些基本功能之外,集成式设计还包括可选的保护功能,针对超温、输出短路、开路负载条件和输入过流等情况提供保护。

  对基本电路的常见改进是使用第二个 MOSFET 替换二极管。第二个 MOSFET 充当同步整流器,在电源开关关闭时打开。其较低的电压降减少了功率耗散,同时提高了稳压器的效率。

  在电池供电的设备中,更高的效率就等于更长的电池寿命,因而同步设计是一大优势。此外,便携式设备和可穿戴设备通常在空间上受到限制,因此面向这些应用的升压转换器具有很高的集成度。将电源元器件包括在封装中,将会限制其供流能力,但在电池供电设备的设计中,这个缺点是可以接受的。很多此类应用长时间处于关断模式,因而超低的静态电流消耗变得至关重要。

  Texas Instruments 提供的 TPS610993YFFT 就是低功耗升压稳压器的一个例子(图 2)。这是一种同步器件,其静态电流仅 1?A,但能提供高达 800 毫安 (mA) 的电流,并在低至 0.7 伏特的输入电压下产生 3.0 伏特的输出电压。该器件的设计目的是在轻负载条件下最大程度地提高工作效率。它可与碱性电池或充电电池(例如 NiMH 电池或锂离子电池)配合使用。

  

  图 2: TPS61099x 系列能够从 0.7 伏特的输入电压提供高达 5.5 伏特的输出电压。(图片来源:Texas Instruments)

  TPS610993 将电源开关和同步整流器集成到 6 焊球的晶圆级芯片尺寸封装 (WCSP) 中,尺寸仅为 1.23 毫米 x 0.88 毫米。由于尺寸小巧,它非常适用于光学心率监测仪、存储器液晶显示屏 (LCD) 偏置驱动器,以及类似的空间受限的应用。该器件是 TPS61099x 系列产品的成员,输出电压在 1.8 伏特至 5.5 伏特之间。

  


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