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(jī)和便攜式測(cè)量?jī)x表等大多采用數(shù)量有限的電池供電。這就存在兩個(gè)重要問(wèn)題：首先是隨著電池放電，其端電壓會(huì)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(fù)載發(fā)生變化時(shí)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(gè)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(jiǎn)單的三端線性穩(wěn)壓器無(wú)法滿足要求，只能采用升壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。但是傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)電路復(fù)雜、體積龐大、自身功耗較大，無(wú)法在體積和功耗要求嚴(yán)格的便攜式產(chǎn)品中使用。針對(duì)這個(gè)問(wèn)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(kāi)關(guān)K導(dǎo)通時(shí)電池B給電感L充電，在L中以場(chǎng)的形式儲(chǔ)存能量1/2LI2（I為電感電流）。K斷開(kāi)后，L中的磁能又以電能的形式釋放給濾波電容C2和負(fù)載RL。周期性的開(kāi)關(guān)操作使電池能量源源不斷地送入負(fù)載，而輸出電壓被轉(zhuǎn)換為：

Vout=Vin/(1-δ）

其中δ為開(kāi)關(guān)占空比（導(dǎo)通時(shí)間占工作周期的比率）。控制電路監(jiān)測(cè)輸出電壓并控制占空比，從而達(dá)到調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓的目的。控制方式最常見(jiàn)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(shí)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(jìn)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(guò)某一峰值電流。既保持了傳統(tǒng)PFM的低靜態(tài)電流，同時(shí)在較重負(fù)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(jìn)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(guò)整流管D的平均電流ID等于負(fù)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(shí)（如3.3V），這種損失不容忽視（可達(dá)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(jìn)一步改善了轉(zhuǎn)換效率(改善幅度達(dá)15%左右）。

另外，對(duì)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(diǎn)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(fù)載后整流器關(guān)斷，而此時(shí)在電感自身的寄生電容和引腳分布電容中還儲(chǔ)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(duì)其它電路的干擾，在對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用中必須對(duì)其加以抑制。在MAX1678和MAX1676中采用了一種阻尼技術(shù)來(lái)抑制這種EMI。具體做法是，當(dāng)電感中的能量釋放完畢后，在電感兩端接入一個(gè)電阻（200Ω），使諧振電路處于臨界阻尼或過(guò)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(jì)

MAX1678和MAX1674/MAX1675/MAX1676內(nèi)部已經(jīng)集成了功率開(kāi)關(guān)、同步速流器和控制電路，外接元件只有一只儲(chǔ)能電感和輸入/輸出濾波電容，設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是根據(jù)實(shí)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(kāi)關(guān)阻尼，對(duì)于MAX1678需將BATT引腳接到電感連接電池的一端，對(duì)于MAX1676需通過(guò)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(chǔ)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(yīng)用的要求。較大的電感量有利 于減小電流的脈動(dòng)，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(yīng)選用飽和電流比較大的電感，因?yàn)楫?dāng)磁芯接近飽和時(shí)損耗增大，會(huì)降低轉(zhuǎn)換效率。電感的飽和電流至少應(yīng)大于輪換器的峰值電流。電感的直流電阻會(huì)消耗一會(huì)的功率，在體積和成本許可的情況下應(yīng)選用直流電阻盡量小的電感。另外對(duì)于低噪聲應(yīng)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(duì)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(huì)影響到轉(zhuǎn)換效率，應(yīng)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(yīng)盡量避免標(biāo)準(zhǔn)鋁電解電容。容量一般在10μF～100μF，對(duì)于較重的負(fù)載應(yīng)選取大一點(diǎn)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(yīng)。