新式降压转换设计并实现PWM升压转换器

新式降压转换设计并实现PWM升压转换器

Christian Schimpfle、Jörg Kirchner
　

本文针对升压转换器介绍一种新型式的输出稳压技术，它不但节省电路板面积，就算输入电压高于输出电压，它也能提供良好的稳压效果。这种新技术不用低压降之线性稳压器就能完成降压转换，它也不像是SEPIC或其它非反相升-降压 (buck-boost) 转换器需要额外的电感或电容。这种概念是以PMOS同步整流器的后-闸极 (back-gate) 控制为基础，它能避免电路在降压模式工作时，基底二极管 (substrate diode) 出现顺向偏压。这颗转换器采用10只接脚的MSOP封装，它只需要一颗外接电感和电容，就能提供1.8 V至5.5 V的稳压输出，输出电流最高200 mA。连续升压模式的转换效率超过85%，最高甚至达到95%，降压模式的效率则通常在55%和75%之间。新型式的转换器还提供可选用的省电模式，来达成在轻载情况下更高的转换效率。

介绍
为了延长电池寿命同时减少高度整合之系统的散热问题，今日的电池供电型式之可携式电子产品需要高效率的电源供应解决方案；除此之外，这类电源还必须在一颗或多颗电池所供应的宽广输入电压范围内，提供稳定不变的输出电压。

举例来说，对于使用两颗碱性电池、镍镉电池或镍氢电池的系统，可以假设其所需的供应电压为2.8 V。新的碱性电池通常能提供1.6 V至1.65 V的电压，在将两颗电池串联的双电池应用中，这表示总电压可达3.3 V。图1是升压转换电路在未接负载和大约33 Ω电阻性负载条件下，串联至输入端的两颗碱性电池的放电情形，从图中可看出至少在90%的电池供电时间内，电池电压会低于2.8 V。升压转换器是此区域内的最佳选择，但由于新电池的供应电压最高达到3.3 V，因此若采用标准升压转换器，将无法在此条件下产生正确的输出电压。

图1：两颗碱性电池串联至升压转换器输入端所得到的放电曲线

想要产生应用所需的2.8 V输出电压，可能方法之一是使用SEPIC或是Cuk之类的升-降压 (buck-boost) 转换器，它们会先提供降压转换，等到每颗电池的电压都低于1.5 V额定电压，就改用升压转换，直到电池输出电压小于转换器所能接受的最低输入电压，这种电路的主要缺点是它们至少需要两个电感和一个额外电容。

升-降压 (buck-boost) 转换器的输出功率为：
P_out = I_{L, peak} × V_peak × D × (1 – D)-----------(1)

其中IL, peak是电感的峰值电流，Vpeak= Vout + Vin，D是负载周期，当D = 0.5和Vout = Vin时，即可得到最大输出功率Pout = Pout.max。

对于升压转换器，输出功率等于：
P_out = I_{L, peak} × V_peak × (1 – D)----------- (2)

当D = 1时，Pout = Pout.max，Vout = Vin。从公式 (1) 和 (2) 可得知升压转换器的Pout. max = I_{L, peak}V_peak，升-降压转换器则为Pout.max = 0.25I_{L, peak}V_peak。这表示对于同样的限制因素I_{L, peak}以及V_peak，升-降压压转换器所能提供的最大输出功率只有升压转换器的四分之一。

另一种方法是使用低压降之线性稳压器 (LDO)，并在其前端增加升压转换电路，由它提供适当的输入电压给LDO，该输入电压在整个电池供电时间内至少应等于LDO的输出电压 (此处为2.8 V) 再加上LDO正常操作所需的最小电压降 (dropout voltage)。等到电池的电压减少至2.8 V以下，就改用简单的升压转换器，此时它变成是较有效率的解决方案。

本文介绍一种新型式的的升压转换器，它就算输入电压高于输出电压，也能透过同步整流器和负载周期的控制来提供额定的稳压输出，不必另外增加电感或电容，也不需要使用低压降之线性稳压器。

本文内容如下：第二段是电路架构和不同工作模式的说明，第三段介绍控制方式，第四段提供芯片实作的量测结果，第五段则是最后的总结评论。

电路架构
这种升压转换器的电路架构如图2所示，虚线方块是整合至芯片的部份，它是这种升压转换器的标准架构，其中有同步整流器、后-闸极 (back-gate)控制以及MOS开关的电压模式控制单元。

我们在同步整流器中使用了低耗损的PMOS功率晶体，它的后-闸极能在Vout和SW电路接点之间切换。在电源刚激活的Vin ≧ Vout阶段，后闸极会连接至SW接点，PMOS则像电流源，用来将Cout充电至Vin左右。假设Vout, nom为额定输出电压，若Vin < Vout.nom，转换器会切换至升压模式，等到Vin ≧ Vout.nom后，电路就开始在降压模式工作。

图2：内建降压转换功能的升压转换器方块图

■A. 升压模式
在升压模式下，PMOS开关晶体管的后-闸极是连接至Vout，它的闸极则会在NMOS导通期间ton的电压Vout以及NMOS截止期间toff的0 V之间切换。在开关晶体管为理想组件的假设下，升压转换器的负载周期公式为：

D=Vout-Vin/Vout----------------(3)
　

图3：转换器在升压模式下的电路图

图3是升压模式的等效电路，此升压转换器的平均电感电流为：

I_L,avg=Iout/1-D----------------(4)

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