作者：ADI公司 電源產(chǎn)品部科學(xué)專家 John Bazinet，電源產(chǎn)品部設(shè)計(jì)中心經(jīng)理 David Loconto，電源產(chǎn)品部高級(jí)產(chǎn)品市場(chǎng)工程師 Steve Knoth
背景信息
由于存在非理想或多個(gè)輸入電源、瞬態(tài)干擾以及存儲(chǔ)組件充放電，DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入電壓會(huì)在很寬的范圍內(nèi)變化。降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是電源設(shè)計(jì)師用來應(yīng)對(duì)這類變化的工具中最有用的工具之一。單個(gè)電感器、同相降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器無縫地降低或升高輸入電壓并調(diào)節(jié)輸出電壓，這無論輸入是高于、等于或低于輸出。降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器能夠靈活應(yīng)對(duì)這 3 種情況，因此可以代替兩個(gè) IC (一個(gè)單獨(dú)的降壓型轉(zhuǎn)換器或一個(gè)低壓差線性穩(wěn)壓器加上一個(gè)升壓型轉(zhuǎn)換器)，從而大幅度延長(zhǎng)便攜式系統(tǒng)的電池壽命。用料清單 (BOM) 也簡(jiǎn)化了，因此節(jié)省了在印刷電路板 (PCB) 上占用的空間 / 面積。在有多個(gè)潛在電源的情況下，視電源不同而不同，降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器可以在完全降壓或升壓模式下運(yùn)行。反過來，在電源備份應(yīng)用中，存儲(chǔ)組件放電的放電電壓曲線橫跨所需要的固定輸出，這時(shí)降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器將用到兩種運(yùn)行模式。
面對(duì)不同市場(chǎng)的電源方案
除消費(fèi)類產(chǎn)品以外，視應(yīng)用不同的情況，輸入和輸出電壓范圍變化都很大。例如，標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電源總線電壓為 24V 或 12V。大多數(shù)系統(tǒng)都需要多個(gè)良好穩(wěn)定的電源軌來供電，較低電壓的電源軌一般由降壓型穩(wěn)壓器或 LDO 供電。不過，為了給傳感器和各種不同的模擬組件 (運(yùn)算放大器、電動(dòng)機(jī)或收發(fā)器) 供電，還存在對(duì)穩(wěn)定的 12V 和 24V 電源軌的需求。取決于電源總線狀態(tài)或系統(tǒng)配置，很多這些系統(tǒng)既需要降壓轉(zhuǎn)換又需要升壓轉(zhuǎn)換。降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器能夠靈活地用各種輸入電源運(yùn)行，從而最大限度減少了設(shè)計(jì)中所需的電源轉(zhuǎn)換器數(shù)量和用料清單中的數(shù)目。
汽車電池電壓范圍很寬且要求嚴(yán)格
在汽車應(yīng)用中，12V 汽車電池是所有電子系統(tǒng)的主電源。標(biāo)稱 12V 在冷車發(fā)動(dòng)時(shí)可能降至 3V，在拋載時(shí)可能上升至近 40V (受到瞬態(tài)電壓抑制器的限制)。這種環(huán)境對(duì)電子產(chǎn)品造成了嚴(yán)酷考驗(yàn)，要求電子產(chǎn)品在各種條件下能堅(jiān)固和可靠地運(yùn)行。因此，很多內(nèi)部系統(tǒng)都會(huì)遇到約為 24V 雙倍的電池電壓 (例如拖車快速啟動(dòng)時(shí))。這些極端電壓情況以及引擎罩內(nèi)可能出現(xiàn)的極端高溫都要求使用堅(jiān)固可靠的電子系統(tǒng)。出于這些原因，用降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生系統(tǒng)電壓，包括汽車電氣系統(tǒng)中常見的 5V 至 12V 電源軌，是應(yīng)該采取的審慎做法。
航空電子、軍用和航天環(huán)境采用標(biāo)準(zhǔn)電源軌，但是也可能靠各種不同的電池配置和太陽能電池板運(yùn)行，因此要求電源能夠應(yīng)對(duì)非常寬的輸入電壓范圍。有些應(yīng)用要求接受很多不同的輸入源，以便任何能源都可以自動(dòng)給系統(tǒng)供電。例如，很多軍事應(yīng)用必須接受由不同類型的電池、適配器甚至太陽能電池板供電。
工業(yè)和軍用 / 航天系統(tǒng)要求向必要的下游電子系統(tǒng)可靠供電，甚至在類似于汽車環(huán)境的嚴(yán)苛輸入電壓情況下。此外，這類系統(tǒng)一般還要求很寬的工作溫度范圍。
電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
過去，既需要以降壓模式又需要以升壓模式運(yùn)行的設(shè)計(jì)一直是通過使用多個(gè)電源轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的，這類設(shè)計(jì)的典型問題有 PCB 面積、尺寸、成本和復(fù)雜性較高、可靠性較低、靜態(tài)電流 (IQ) 較大以及轉(zhuǎn)換效率較低�？商娲�?fù)洌?SEPIC (單端主電感轉(zhuǎn)換器)，盡管比多個(gè)電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但是效率比同步降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器約低 10%，而且需要兩個(gè)電感器和一個(gè)大電流耦合電容器，這提高了復(fù)雜性和潛在噪聲，并縮短了電池壽命。
降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器以升壓模式運(yùn)行時(shí)，面臨著一些獨(dú)特的挑戰(zhàn)，尤其是當(dāng)升壓型轉(zhuǎn)換器斷開時(shí)，或者在剛加上電源時(shí)。常規(guī)升壓型轉(zhuǎn)換器在 VIN 至 VOUT 之間，通過電感器和升壓型二極管提供一條直接的電流通路。當(dāng)電源加到 VIN 上時(shí)，升壓型轉(zhuǎn)換器這個(gè)特點(diǎn)可能引起很大和有可能造成損壞的浪涌電流，而當(dāng)電源轉(zhuǎn)換器關(guān)斷時(shí)，VOUT 比 VIN 低一個(gè)二極管壓降，因此 VOUT 僅得到部分供電。幸運(yùn)的是，ADI公司的很多降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器具輸出斷接功能，這是其 4 開關(guān)架構(gòu)所固有的特點(diǎn)。因此，當(dāng)電源一加到 VIN 上時(shí)，降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器的輸入電流就受到控制，從零逐漸斜坡上升至電流限制值，同時(shí) VOUT 加電上升。當(dāng)降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器斷開時(shí)，VOUT 和 VIN 會(huì)徹底斷開，以便 VOUT 能夠安全地放電直至零伏。
使用可在非常低輸入電壓時(shí)運(yùn)行的降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，能夠更好地滿足一些采用超級(jí)電容器的備份應(yīng)用之需求。例如，一組電容器 (超級(jí)電容器、電解質(zhì)電容器等) 被充電至某個(gè)電壓值。如果電源失效，那么下游的降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器就可以保持輸出穩(wěn)定，因?yàn)樵撧D(zhuǎn)換器具有允許使用電容器全部能量的優(yōu)勢(shì)。這就可以減少應(yīng)用所需的電容量 (減小電容值和電路板面積)。不過，較新式的轉(zhuǎn)換器仍然需要 2.xV 輸入電壓才能運(yùn)行。因此，用戶如果想從一個(gè)低于 2.xV 的輸入獲得功率，需要運(yùn)用一些技巧 (反向饋送等)。很多 DC/DC 轉(zhuǎn)換器做不到這一點(diǎn)。
幸運(yùn)的是，ADI的降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品解決了很多這類問題。就輸入要求達(dá)到 40V 的情況而言，LTC3115-1/-2 和 LTC3114-1 非常適合。輸入電壓高達(dá) 15V 時(shí)，可以使用 LTC3111、LTC3112 和超低靜態(tài)電流 LTC3129。不久的將來，LTC311x 系列產(chǎn)品將使輸入電壓能力擴(kuò)展至 18V，并在降壓模式支持 5A 輸出電流。然而，業(yè)界仍然存在一個(gè)尚未彌合的差距，即可與 12V/24V 系統(tǒng)兼容同時(shí)提供高達(dá) 600mA 的適度輸出電流、能夠在啟動(dòng)后以低壓運(yùn)行并具備超低靜態(tài)電流的降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。
新的超低 IQ 降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器
顯然，解決上述這些問題的降壓-升壓型解決方案應(yīng)該具備以下特性：
- 在很寬的輸入 / 輸出電壓范圍內(nèi)運(yùn)行
- 能夠提供充足的輸出電流
- 超低 IQ
- 低輸出噪聲/紋波
- 以高效率運(yùn)行
- 以升壓模式運(yùn)行時(shí)，輸出斷接
- 需要最少的外部組件，易于設(shè)計(jì)
- 出色的熱性能
為了滿足這些需求，ADI不久前推出了 LTC3130 和 LTC3130-1。這些輸入和輸出額定值為 25V 的單片同步降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器在降壓模式能夠提供高達(dá) 600mA 輸出電流，同時(shí)具備極低的 1.2µA 無負(fù)載靜態(tài)電流 (參見圖 1)。每個(gè)器件都提供 2.4V 至 25V 輸入電壓范圍和 1V 至 25V 輸出電壓范圍 (LTC3130 是可調(diào)的，參見圖 2)，并在輸入高于、低于或等于輸出時(shí)提供穩(wěn)定的輸出。一旦啟動(dòng)，這些器件的典型輸入電壓要求僅為 0.6V。用戶可選的突發(fā)模式 (Burst Mode) 運(yùn)行將靜態(tài)電流降至僅為 1.2µA，從而提高了輕負(fù)載時(shí)的效率，并延長(zhǎng)了電池運(yùn)行時(shí)間。LTC3130/-1 專有的降壓-升壓型拓?fù)湓谒泄ぷ髂Ｊ较露继峁┑驮肼�、無抖動(dòng)開關(guān)，非常適合對(duì)電源噪聲敏感的 RF 及高精度模擬應(yīng)用。這些器件還包括可編程最大功率點(diǎn)控制 (MPPC) 功能，從而確保從光伏電池等非理想電源提供最大功率。LTC3130 的所有功能 LTC3130-1 都提供，但 LTC3130-1 提供 4 個(gè)用戶可選的固定輸出電壓：1.8V、3.3V、5V 和 12V，從而無需電阻器分壓器就可實(shí)現(xiàn)可調(diào)輸出版本 (參見表 1)。
圖 1：LTC3130 的典型應(yīng)用原理圖和功能
圖 2：LTC3130 的 VOUT 反饋分壓器方程和原理圖
表 1：LTC3130-1 的 VOUT 編程設(shè)定值
LTC3130/-1 有充足的電壓裕度，可應(yīng)對(duì) 1 至 6 節(jié)串聯(lián)鋰電池輸入系統(tǒng)和可能遭遇大的噪聲尖峰的標(biāo)稱 12V 系統(tǒng)，以及能夠?yàn)?24V 傳感器供電。有保證的最低 660mA 電感器電流限制提供升壓模式輸出電流能力，尤其是對(duì)必須用 3.3V、5V 或電池等低輸入電壓運(yùn)行的 24V 傳感器而言。
LTC3130/-1 包括 4 個(gè)內(nèi)部低 RDSON N 溝道 MOSFET，已提供高達(dá) 95% 的效率。轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)可通過能提供低至 7.5µW 功率的電源實(shí)現(xiàn)，從而使 LTC3130/-1 非常適合由薄膜太陽能電池等弱電源供電的應(yīng)用。另外，可以禁止突發(fā)模式運(yùn)行，以提供低噪聲連續(xù)切換。LTC3130/-1 的恒定 1.2MHz 開關(guān)頻率確保低噪聲和高效率，同時(shí)最大限度減小了外部組件的尺寸 (參見圖 3)。
圖 3：在 14.4VIN 至 12VOUT、200mA 時(shí)，LTC3130/-1 的效率為 94%
內(nèi)置環(huán)路補(bǔ)償和軟啟動(dòng)減少了外部組件數(shù)量并簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。其他特點(diǎn)包括一個(gè)電源良好指示器、引腳可選電流限制、一個(gè)準(zhǔn)確的 RUN 引腳門限、一個(gè)外部 VCC 輸入和過熱停機(jī)。器件兼具纖巧的外部組件、很寬的工作電壓范圍、緊湊的封裝和超低靜態(tài)電流特色，非常適合始終保持接通應(yīng)用，因?yàn)樵谶@類應(yīng)用中，延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間最重要。應(yīng)用包括長(zhǎng)壽命電池供電的儀器、便攜式軍用無線電、低功率傳感器和太陽能電池板后穩(wěn)壓器 / 充電器電路。
LTC3130/-1 中集成了兩個(gè)低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器以產(chǎn)生 VCC，一個(gè)來自 VIN，另一個(gè)來自 EXTVCC。只要 VCC 上保持充足的電壓，該轉(zhuǎn)換器就會(huì)用任一輸入源運(yùn)行。
LTC3130/-1 采用耐熱性能增強(qiáng)型 20 引線 3mm x 4mm QFN 和 16 引線 MSOP 封裝。E 級(jí)和 I 級(jí)版本器件規(guī)定在 –40°C 至 125°C 工作溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。
24V 傳感器應(yīng)用
圖 4 所示是一個(gè)電池供電型 24V 傳感器電源。傳感器功率由一個(gè)高可靠性、長(zhǎng)壽命鋰亞硫酰氯主電池提供。為了最大限度延長(zhǎng)使用壽命，傳感器僅由持續(xù)時(shí)間很短的信號(hào)激活，每次激活之間的時(shí)間間隔很長(zhǎng)，從而在傳感器未激活時(shí)，返回接近零功率的狀態(tài)。LTC3130 可以選擇 200mA 輸入電流限制 (LLIM 引腳 = GND)，當(dāng)傳感器激活時(shí)，該電流限制可用來最大限度降低從高輸出阻抗鋰亞硫酰氯主電池獲取的峰值電流，這進(jìn)一步延長(zhǎng)了電池的使用壽命。在很長(zhǎng)的空閑周期，通過驅(qū)動(dòng) RUN 引腳至低電平，關(guān)閉 LTC3130，從 24V 輸出僅吸取 1µA。在很長(zhǎng)的空閑周期，傳感器與 24V 電壓軌斷接，或關(guān)斷以最大限度減小 24V 輸出電容器的放電。以這種方式保持 24V 輸出，傳感器就可以快速地加電，進(jìn)行所需測(cè)量，然后再次斷電，而不必等待 24V 電源軌充電。在傳感器正常工作時(shí)，這個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)高達(dá) 83% 的效率。
圖 4：具 200mA ILIM 以限制電池電壓下降的電池供電型 24V 轉(zhuǎn)換器
EXTVcc 功能
如果 >3V (范圍：3V 至 25V)，LTC3130 的 EXTVCC 就給 IC 供電。EXTVCC 輸入可用來：
- 自舉至 VOUT 以允許更低的 VIN 能力
- 自舉至 VOUT 以在高 VIN 時(shí)提高效率
- 從一個(gè)外部電源啟動(dòng)以適合 VIN 非常低的應(yīng)用 (參見圖 5)
圖 5：LTC3130/-1 轉(zhuǎn)換器自舉至 VOUT，以消除電池泄漏，同時(shí)允許用一個(gè) 1V 或更低的 VIN 電源啟動(dòng)和穩(wěn)壓
最大功率點(diǎn)控制
LTC3130/-1 的最大功率點(diǎn)控制 (MPPC) 輸入可與可選外部分壓器一起使用，以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)受指令控制的電感器電流，從而在使用光伏板等高阻抗電源時(shí)保持最低輸入電壓，進(jìn)而最大限度提高輸入功率傳送，防止 VIN 在有負(fù)載情況下降至太低。在依靠光伏電池等各種非理想電源運(yùn)行時(shí)，這種方法可使轉(zhuǎn)換器的輸入電壓跟隨一個(gè)可編程最大功率抽取點(diǎn)。參閱圖 6，獲得詳細(xì)信息。
圖 6：具外部電阻器分壓器的 MPPC 放大器
結(jié)論
單電感器、同相降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器是一種極度靈活和有用的電源組件。ADI的 LTC3130/-1 是輸入和輸出額定值為 25V 的單片降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，在降壓模式時(shí)輸出電流額定值為 600mA，靜態(tài)電流為極低的 1.2µA。這些器件擴(kuò)大了降壓-升壓型應(yīng)用的適用范圍，使這類應(yīng)用能夠滿足種類繁多和富挑戰(zhàn)性的電源要求，包括非精確穩(wěn)定的 5V / 12V / 18V 適配器、多種類型的電池、小型太陽能電池板和可再充電電源。這些器件使用非常靈活，具 MPPC 和 EXTVCC 等功能，可實(shí)現(xiàn)一系列獨(dú)特和非常適合解決多種應(yīng)用問題的供電方案。
