DC-DC升壓穩(wěn)壓器外圍元器件的選擇與優(yōu)化

在便攜和可穿戴設(shè)備等電池供電的低電壓應(yīng)用中，常有一些功能需要較高的電壓才能工作，例如射頻收發(fā)器、精密模擬電路、白光LED背光驅(qū)動、雪崩光電二極管(APD)的偏置電路等。這就需要采用DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器來向上轉(zhuǎn)換到所需的電壓，讓設(shè)備既節(jié)能又高效的工作。

升壓穩(wěn)壓器特點

為滿足低壓應(yīng)用中的某些特定的較高電壓需求，升壓DC-DC穩(wěn)壓器將低輸入電壓轉(zhuǎn)換為高輸出電壓，典型電路組成包括：電感器、功率MOSFET、整流二極管、控制IC、輸入和輸出電容器。

圖 1：基本升壓穩(wěn)壓器配置

常見的改進型配置一般使用兩個MOSFET，第二個MOSFET替換整流二極管，在電源開關(guān)關(guān)閉時打開。MOSFET具有較低的電壓降，這大幅減少了功耗，同時提高了穩(wěn)壓器的效率。

此外，有些穩(wěn)壓器還帶有保護功能，針對超溫、輸出短路、開路負載條件和輸入過流等情況提供保護。

外圍元器件選擇

轉(zhuǎn)換效率是衡量DC-DC升壓電路的重要指標，而造成功耗損失的主要是電感的寄生串聯(lián)電阻（ESR）、肖特基二極管的正向?qū)▔航?、功率管的?dǎo)通電阻以及開關(guān)損耗這四個方面。當然，芯片本身也有靜態(tài)功耗，這在低負載情況下會影響轉(zhuǎn)換效率，因此要求芯片內(nèi)部的功率管導(dǎo)通電阻也需非常小。同時，芯片內(nèi)部要設(shè)計合適的驅(qū)動電路，保證功率管開關(guān)沿很陡，以減小開關(guān)時的功耗。

電感和肖特基二極管選擇的不同會影響轉(zhuǎn)換效率，電容和電感選擇的不同會影響輸出的紋波。選擇合適的電感、電容、肖特基二極管，可以獲得高轉(zhuǎn)換效率、低紋波、低噪聲。

1、電感選擇

電感器是升壓轉(zhuǎn)換器的一個關(guān)鍵元件：能在電源開關(guān)接通期間存儲能量，并在關(guān)斷期間將存儲的能量通過輸出整流二極管傳輸至輸出。

設(shè)計人員必須在低電感器電流紋波與高效率之間達到平衡。對于給定的物理尺寸，電感較低的電感器會擁有較高的飽和電流和較低的串聯(lián)電阻，但較低電感會導(dǎo)致更高的峰值電流，進而使能效降低，紋波增大和噪聲提高。

電感器的電感值與最小電感值Lmin、電流紋波等有關(guān)。計算具體電感值時，須留意占空比（D）參數(shù)，具體大小為：D = (Vout-Vin)/Vout。

第一，要保證使DC-DC升壓能夠在連續(xù)電流模式下正常工作所需要的最小電感值Lmin。

該公式是在連續(xù)電流模式下，忽略其他諸如寄生電阻、二極管的導(dǎo)通壓降的情況下導(dǎo)出的，實際的值還要大一些。如果電感取值小于Lmin，電感可能會發(fā)生磁性飽和，造成DC-DC電路的效率大大下降，甚至不能正常輸出穩(wěn)定電壓。

第二，考慮到通過電感的電流紋波問題，同樣在連續(xù)電流模式下忽略寄生參數(shù)，

當L過小時，會造成電感上的電流紋波過大，造成通過電感、肖特基二極管和芯片中的功率管的最大電流過大。由于功率管并不是理想的，所以在特別大的電流時功率管上的功率損耗會加大，導(dǎo)致整個DC-DC電路的轉(zhuǎn)換效率降低。

第三，一般來說，不考慮效率問題時，小電感可以帶動的負載能力強于大電感。但是由于在相同負載條件下，大電感的電流紋波和最大電流值小，所以大電感可以使得電路在更低的輸入電壓下啟動（以上均是在相同的寄生電阻條件下推導(dǎo)出的結(jié)論）。

為了減小外接電感尺寸，可提高工作頻率。例如350KHz工作頻率，只需要3.3uH以上的電感就可以保證正常工作，但是如果輸出端需要輸出大電流（例如：輸出電流大于50mA），為了提高工作效率，建議使用較大電感。

在大負載情況下，電感的串聯(lián)電阻會極大地影響轉(zhuǎn)換效率，假設(shè)電感的電阻為rL，負載電阻為Rload，那么在電感的功率損耗大致如下式計算：

綜合考慮，建議使用27uH、<0.5Ω的電感。如果需要提高大負載效率，需要使用更大電感值、更小寄生電阻值的電感。

2、輸出電容選擇

輸出電容器可減少負載紋波，幫助在負載瞬態(tài)期間提供穩(wěn)定的輸出電壓。當考慮電容的ESR時，輸出電壓的紋波為：

為了減小輸出的紋波，需要比較大的輸出電容值。但是輸出電容過大，就會使得系統(tǒng)的反應(yīng)時間過慢，所以建議使用100uF電容。如果需要更小的紋波，則需要更大的電容。

當輸出連接大負載的時候，ESR造成的紋波將成為最主要的因素，同時ESR又會增加效率損耗，降低轉(zhuǎn)換效率。所以建議使用ESR低的鉭電容，或者多個或X7R陶瓷電容器并聯(lián)使用。其他類型的電容器可能具有較高的ESR，會降低轉(zhuǎn)換器效率。

3、二極管

用于整流二極管對DC-DC效率影響很大，雖然普通的二極管也能夠使得DC-DC電路工作正常，但是會降低5~10%的效率，所以建議使用正向?qū)妷旱?、反?yīng)時間短的肖特基二極管，例如1N5817、1N5819、1N5821、1N5822等。

具體參數(shù)上，二極管的平均正向額定電流必須等于或高于最大輸出電流，重復(fù)峰值正向額定電流必須等于或高于電感器峰值電流，反向擊穿電壓必須高于內(nèi)部電源開關(guān)額定電壓。

例如，MCP1665帶有36V的內(nèi)部開關(guān)，能夠提供高達1A的電流。因此，Microchip建議使用STMicroelectronics供應(yīng)的STPS2L40VU肖特基二極管，該器件的反向擊穿電壓為40V，正向電流為2A。

4、輸入電容

如果輸入電源穩(wěn)定，即使沒有輸入濾波電容，DC-DC電路也可以輸出低紋波、低噪聲的電流電壓。但是當電源離DC-DC電路較遠，建議在DC-DC的輸入端加上10uF以上的濾波電容，用于減小輸出的噪聲。

DC-DC升壓穩(wěn)壓器具有高速開關(guān)特征，對PCB布局非常敏感：寄生電感和電容可能導(dǎo)致高輸出紋波、輸出穩(wěn)壓效果不佳、電磁干擾 (EMI) 過大，甚至因高電壓尖峰而導(dǎo)致故障。因此，外圍元件應(yīng)靠近IC芯片，接地節(jié)點應(yīng)靠近IC電源接地引腳，以最大程度減小回路面積，電源接地、信號接地和導(dǎo)熱墊也應(yīng)該在單個低阻抗接地點連接在一起。

審核編輯：劉清
?