升降壓原理淺析

在消費(fèi)類(lèi)電子和家電市場(chǎng)等領(lǐng)域，為了實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的產(chǎn)品功能，需要多類(lèi)型芯片、模組、最小系統(tǒng)等一起配合。然而，各模塊工作電壓會(huì)有差異，故就需要對(duì)電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此就衍生出升壓和降壓芯片，這類(lèi)產(chǎn)品統(tǒng)稱(chēng)為DC-DC電源芯片。

升降壓分類(lèi)

01 開(kāi)關(guān)型

通常有升壓、降壓、降壓-升壓等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

在每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，交替地將能量從電源傳遞到電感和電容，從而通過(guò)儲(chǔ)能元件（電感）將輸入能量傳遞到輸出端。

02 線(xiàn)性穩(wěn)壓型

即LDO，只用在降壓轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中。

內(nèi)部功率管工作在線(xiàn)性區(qū)，通過(guò)線(xiàn)性調(diào)整內(nèi)部功率管，確保輸出電壓Vout為參考電壓Vref達(dá)到某個(gè)預(yù)置的比例值。

03 電荷泵

常用于倍壓電路中，有正壓和負(fù)壓轉(zhuǎn)換。

在電能轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，僅使用了電容器件。

以艾為Smart K音頻PA AW873XX為例，其配備1.5倍/2倍Charge-pump電荷泵升壓模塊，LCD Bias AW3750x 負(fù)壓的產(chǎn)生，也使用了電荷泵的電源模塊。

工作原理

這里對(duì)常用的升降壓和LDO做原理介紹。

01 開(kāi)關(guān)升壓電路

為了解Boost電路原理，我們以常規(guī)非同步升壓為例，講述BOOST電路的工作方式，下圖為BOOST電路的基本架構(gòu)（若把二極管換成MOS管，則構(gòu)成同步升壓架構(gòu)）：

1.當(dāng)開(kāi)關(guān)S1閉合時(shí)，Vin給電感L1充電，見(jiàn)綠色充電路徑，充電時(shí)間=占空比D*開(kāi)關(guān)周期T。

根據(jù)電感的伏安特性關(guān)系，，其中是電感電流的變化量，是電感電流變化持續(xù)的時(shí)長(zhǎng)。

是充電時(shí)電感電流的變化量

是電感充電時(shí)長(zhǎng)

2.當(dāng)開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)時(shí)，電感中的能量會(huì)通過(guò)二極管給負(fù)載放電，見(jiàn)紅色放電路徑，與此同時(shí)，Vin也會(huì)通過(guò)二極管給負(fù)載放電，兩個(gè)電壓疊加到Vout實(shí)現(xiàn)升壓，放電時(shí)間：

是放電時(shí)電感電流的變化量

是電感放電時(shí)長(zhǎng)

3.一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，充電和放電的電流變化相同，系統(tǒng)才能穩(wěn)定

結(jié)合1和2，得公式：

由于D<1，得Vout>Vin，實(shí)現(xiàn)升壓。

升壓過(guò)程本質(zhì)是電感能量傳遞的過(guò)程，開(kāi)關(guān)S1重復(fù)進(jìn)行通斷操作，會(huì)使得輸出端既可以得到一個(gè)高電壓，又可以保持一個(gè)持續(xù)的穩(wěn)定電流。

02 開(kāi)關(guān)降壓電路

降壓電路也稱(chēng)BUCK電路，常規(guī)的非同步BUCK電路由電感、二極管、開(kāi)關(guān)、電容組成，對(duì)于非同步buck電路，也可以理解為電路有一個(gè)開(kāi)關(guān)，通過(guò)不斷開(kāi)啟和關(guān)閉，由二極管對(duì)電感續(xù)流放電，如下圖：

1.當(dāng)開(kāi)關(guān)S1閉合時(shí)，Vin給電感L1充電，見(jiàn)綠色充電路徑，電感電流不斷增加，加在電感兩端的電壓是，和升壓是相同的計(jì)算方法，：

是充電時(shí)電感電流的變化量

是電感充電時(shí)長(zhǎng)

2.當(dāng)開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)時(shí)，由于電感上的電流不能發(fā)生突變，此時(shí)反向的二極管派上用場(chǎng)，為電感的放電提供了路徑，見(jiàn)紅色放電路徑，這里二極管也稱(chēng)續(xù)流二極管，放電時(shí)長(zhǎng)：

電感放電能量為：

是放電時(shí)電感電流的變化量

是電感放電時(shí)長(zhǎng)

3.BUCK同BOOST一樣，工作本質(zhì)都是對(duì)電感的充放電過(guò)程，BUCK穩(wěn)定之后，電感的充放電電流是相等的。

結(jié)合1和2，得公式：

由于D<1，得Vout<Vin，實(shí)現(xiàn)降壓。

03 LDO

通常LDO內(nèi)部由PMOS管組成，由于先天條件的不足，輸入電流和輸出電流是相等的，LDO輸入和輸出會(huì)產(chǎn)生的壓差，這部分壓差和電流會(huì)產(chǎn)生一定的功耗：

這部分功耗都會(huì)體現(xiàn)在LDO發(fā)熱上，故LDO效率都比較低，過(guò)電流能力也相對(duì)較小。

當(dāng)然也有NMOS管架構(gòu)的LDO，以適用較大電流低壓差的應(yīng)用場(chǎng)景。下面著重對(duì)PMOS管架構(gòu)LDO的工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

LDO主要由功率MOS管、運(yùn)放、基準(zhǔn)電壓和反饋電阻組成。

主要工作流程是Vout電壓通過(guò)分壓電阻分壓，分得的電壓和基準(zhǔn)電壓Vref進(jìn)行比較，通過(guò)運(yùn)放比較后，輸出的電壓來(lái)控制PMOS柵極，增加PMOS輸出電流，從而提升Vout輸出，見(jiàn)如下紅色路徑：

那么，LDO是如何穩(wěn)定輸出電壓的呢？當(dāng)LDO負(fù)載變化時(shí)，VOUT會(huì)隨之降低，兩個(gè)電阻R1、R2分壓的電壓也會(huì)降低，和運(yùn)放比較后，運(yùn)放的輸出電壓也隨之下降，從而PMOS管柵極電壓Vg降低，由于VIN不變，Vgs電壓會(huì)增加，從而提高PMOS的輸出能力，輸出電流的增加，就會(huì)讓VOUT再度上升，從而使VOUT一直保持平穩(wěn)的輸出。

優(yōu)劣勢(shì)

上面講述了開(kāi)關(guān)電路（BOOST電路、BUCK電路）和線(xiàn)性穩(wěn)壓器LDO的基本工作原理，但是什么時(shí)候用開(kāi)關(guān)電源，什么時(shí)候用線(xiàn)性電源呢？這就要從工程師所關(guān)注的性能指標(biāo)來(lái)綜合決定了：輸出電流、溫升情況、開(kāi)關(guān)噪聲、外圍器件、效率、價(jià)格等。

為了覆蓋不同的客戶(hù)需要，艾為推出了一系列具備不同性能指標(biāo)的升降壓產(chǎn)品，包括Boost、Buck及LDO芯片，適用于手機(jī)、平板、穿戴電子設(shè)備、各類(lèi)NB-IoT等應(yīng)用。無(wú)論是客戶(hù)關(guān)注的電流、占板面積還是溫升、外圍元件等特性，艾為的產(chǎn)品總有一款可以符合客戶(hù)需求。

艾為升降壓產(chǎn)品及應(yīng)用場(chǎng)景

01 Boost

Boost多用在電池供電的低壓產(chǎn)品中，如手機(jī)/平板的USB OTG、穿戴產(chǎn)品監(jiān)測(cè)模塊供電等。

在艾為Digital Smart K、Smart K、高壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)等產(chǎn)品中，也都能看到電感升壓和Charge Pump升壓產(chǎn)品的身影。

艾為BOOST主推型號(hào)

以艾為明星Boost產(chǎn)品AW36099系列為例，其是一款靜態(tài)電流僅為1uA的高效率超低功耗同步升壓轉(zhuǎn)換器。適用于一切采用堿性電池、鎳氫電池、鋰錳電池、鋰亞電池及其它可充電鋰離子電池供電的電子設(shè)備，特別是對(duì)電池使用時(shí)間及壽命有較高要求的便攜及可穿戴電子設(shè)備、各類(lèi)NB-IoT應(yīng)用等。

AW36099系列有CSP和DFN兩種封裝形式，有可調(diào)輸出版本，同時(shí)也有2.5V、3.0V、3.3V、3.6V、4.5V、5.0V固定電壓輸出版本，方便工程師靈活選擇，典型應(yīng)用電路如下：

02 Buck

為適配更完善的降壓方案，艾為BUCK產(chǎn)品有常規(guī)2A/3A輸出電流的降壓芯片，同時(shí)也配備了專(zhuān)給射頻PA供電的APT BUCK，其工作電壓低、輸出電流高成為一大亮點(diǎn)。

艾為BUCK主推型號(hào)

針對(duì)NB-loT系統(tǒng)方案，艾為有專(zhuān)為射頻PA供電的APT Buck。射頻系統(tǒng)正常工作時(shí)，BB根據(jù)RF PA的發(fā)射功率配置它的供電電壓，RF PA的發(fā)射功率強(qiáng)時(shí)，供電電壓高，RF PA的發(fā)射功率弱時(shí)，供電電壓低。

AW37416/37426根據(jù)BB給出的控制信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)整輸出電壓，實(shí)現(xiàn)APT功率追蹤，動(dòng)態(tài)調(diào)整PA供電電壓，降低不必要的功率損耗，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率最佳化，可參考如下基本應(yīng)用框圖：

為了更加契合產(chǎn)品應(yīng)用，艾為即將推出APT Buck-Boost產(chǎn)品，該新品采用Charge Pump+Buck的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升降壓功能，擁有95%的超高效率，MIPI2.0接口加持，并支持OVP、 OTP、OCP等輸入輸出保護(hù)，支持同時(shí)為后級(jí)2個(gè)PA供電，更加拓展了Buck-Boost產(chǎn)品的適用性，敬請(qǐng)期待！

03 LDO

在常規(guī)電子類(lèi)產(chǎn)品中，低電壓小電流的系統(tǒng)日益增多，LDO在電子系統(tǒng)中隨處可見(jiàn)。

艾為L(zhǎng)DO主推型號(hào)

艾為L(zhǎng)DO產(chǎn)品系列非常豐富，覆蓋從300mA到1200mA輸出電流的應(yīng)用。300mA和500mA輸出電流檔位的LDO有SOT23-5L的常規(guī)封裝，同時(shí)也有DFN1X1的超小封裝，節(jié)省PCB擺件面積；大電流1A輸出的LDO以及轉(zhuǎn)給Camera供電的4通道PMIC，拓展了LDO的應(yīng)用場(chǎng)景。

艾為AW37030和AW37050系列具備高PSRR（90db）和低Noise（33uV）的特性，為常規(guī)Camera供電帶來(lái)了福音，多樣化的輸出電壓（1.1V-3.3V）也是其一大亮點(diǎn)。

主打超低功耗的AW37103系列為糾結(jié)功耗工程師們帶來(lái)了答案，超低的靜態(tài)功耗（2uA）是其最大的亮點(diǎn)，兼?zhèn)淞斯潭ㄝ敵鲭妷喊姹荆?.8V-3.3V）和可調(diào)輸出版本。

AW3707/AW3710系列，主打大電流輸出，同時(shí)具備可調(diào)輸出和固定輸出版本，其獨(dú)特的封裝在芯片散熱上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

來(lái)源： 艾為之家

作者：一燈