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DC-DC升压稳压器外围元器件的选择与优化

在便携式和可穿戴设备等电池供电的低压应用中,射频收发器、精密模拟电路、白光等功能往往需要较高的电压LED背光驱动,雪崩光电二极管(APD)偏置电路等。DC-DC升压转换器向上转换到所需的电压,使设备既节能又高效。

升压稳压器的特点

为了满足低压应用中某些特定的高压需求,升压DC-DC稳压器将低输入电压转换为高输出电压,典型的电路包括:电感器、功率MOSFET、二极管整流,控制IC、输入输出电容器

图 1:基本升压稳压器配置

一般采用两种常见的改进配置MOSFET,第二个MOSFET更换整流二极管,关闭电源开关时打开。MOSFET电压降低较低,大大降低了功耗,提高了稳压器的效率。

此外,一些稳压器还具有超温、输出短路、开路负载条件和输入过流等保护功能。

选择外围元件

转换效率是衡量DC-DC电感寄生串联电阻是升压电路的重要指标,主要是功耗损失(ESR)、肖特基二极管的正导压降、功率管的导电阻和开关损耗。当然,芯片本身也有静态功耗,这会影响低负荷下的转换效率,因此芯片内的功率管导电阻也需要很小。同时,芯片内部应设计合适的驱动电路,以确保电源管开关沿陡峭,以减少开关时的功耗。

电感和肖特基二极管的不同选择会影响转换效率,电容和电感的不同选择会影响输出纹波。选择合适的电感、电容和肖特基二极管,可获得高转换效率、低纹波和低噪声。

1、电感选择

电感器是升压转换器的关键部件:能够在电源开关连接期间储存能量,并通过输出整流二极管将储存能量传输到输出。

设计师必须平衡低电感器的电流纹波和高效率。对于给定的物理尺寸,低电感的电感器饱和电流高,串联电阻低,但低电感会导致高峰电流,降低能效,增加纹波,提高噪声。

电感器的电感值和最小电感值Lmin、电流纹波等。计算具体电感值时,应注意占空比(D)具体大小为:D = (Vout-Vin)/Vout。

一是保证使用DC-DC在连续电流模式下正常工作所需的最小电感值Lmin。

该公式是在连续电流模式下,忽略寄生电阻、二极管等其他导通压降,实际值较大。如果电感值小于Lmin,磁性饱和可能导致电感DC-DC电路效率大大降低,甚至不能正常输出稳定电压。

第二,考虑到电感的电流纹波问题,寄生参数也被忽略在连续电流模式下,

当L过小时,电感器上的电流纹波会过大,通过电感器、肖特基二极管和芯片中的电源管的最大电流会过大。由于电源管不理想,当电流特别大时,电源管上的损失会增加,导致整个电流DC-DC降低电路转换效率。

第三,一般来说,当不考虑效率时,小电感比大电感更能驱动负载能力。然而,由于大电感的电流纹波和最大电流值较小,大电感可以在较低的输入电压下启动电路(以上是在相同的寄生电阻条件下得出的结论)。

可以提高工作频率,以减少外部电感尺寸。例如350KHz工作频率,只需3.3uH如果输出端需要输出大电流,但如果输出端需要输出大电流(例如,输出电流大于50mA),为提高工作效率,建议使用大电感。

假设电感的串联电阻在大负会极大地影响转换效率,假设电感的电阻是rL,负载电阻为Rload,电感的功率损耗大致如下:

综合考虑,建议使用27uH、<0.5Ω电感。若需提高大负载效率,则需使用电感值较大、寄生电阻值较小的电感。

2.输出电容选择

输出电容器可以减少负载纹波,帮助在负载瞬态期间提供稳定的输出电压。当考虑电容时ESR输出电压的纹波为:

为了减少输出的纹波,需要较大的输出电容值。但是,如果输出电容过大,系统的反应时间会过慢,建议使用100uF电容。如果需要较小的纹波,则需要较大的电容。

输出连接大负载时,ESR同时,纹波将成为主要因素ESR增加效率损失,降低转换效率。因此,建议使用ESR低钽电容,或多个或多个X7R陶瓷电容器并联使用。其他类型的电容器可能具有较高的ESR,会降低转换器的效率。(在瑞单商城找元器件现货)

3、二极管

用于整流二极管对DC-DC虽然普通的二极管也能使效率产生很大的影响DC-DC电路工作正常,但会减少5~效率10%,建议使用正向导通电压低、反应时间短的肖特基二极管,如1N5817、1N5819、1N5821、1N5822等。

在具体参数上,二极管的平均正额定电流必须等于或高于最大输出电流,重复峰值的正额定电流必须等于或高于电感器的峰值电流,反击穿电压必须高于内部电源开关的额定电压。

例如,MCP1665带有36V可提供高达1的内部开关A电流。Microchip建议使用STMicroelectronics供应的STPS2L40VU该装置的反向击穿电压为40V,正向电流为2A。

4、输入电容

若输入电源稳定,即使不输入滤波电容,DC-DC电路还可以输出低纹波和低噪声的电流电压。但当电源离开时DC-DC建议电路较远DC-DC加10的输入端uF以上的滤波电容,用于减小输出的噪声。

DC-DC对PCB布局非常敏感:寄生电感和电容可导致高输出纹波,输出稳压效果差,电磁干扰 (EMI) 过大,甚至因高压尖峰而导致故障。因此,外围元件应靠近IC接地节点应靠近芯片IC为了最大限度地减少电路面积,电源接地、信号接地和导热垫也应连接在单个低阻抗接地点。

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