DC-DC升壓電路原理與應(yīng)用

1、DC-DC升壓電路原理與應(yīng)用目前，在手機(jī)應(yīng)用電路中，通常需要通過(guò)升壓電路來(lái)驅(qū)動(dòng)閃光燈模組的LED或者是顯示屏背光的LED，并且通?？梢愿鶕?jù)不同情況下的需求，調(diào)節(jié)LED的明暗程度。一般的LED驅(qū)動(dòng)電路可以分成二種，一種是并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，采用電容型的電荷泵倍壓原理，所有的LED負(fù)載是并聯(lián)連接的形式；另一種是串聯(lián)驅(qū)動(dòng)，采用電感型DC-DC升壓轉(zhuǎn)換原理，所有的LED負(fù)載是串聯(lián)連接的形式。這類(lèi)應(yīng)用電路中采用的升壓器件有體積小，效率高的優(yōu)點(diǎn)，而且大多數(shù)是采用SOT23-5L或者SOT23-6L的封裝，外加少量阻容感器件，占用電路板很小的空間。在此，結(jié)合具體器件的使用情況，介紹這兩種升壓器件的工作原理和應(yīng)用。電容

2、型的電荷泵倍壓原理的介紹以AnalogicTech公司的升壓器件AAT3110為例，介紹電容型的電荷泵升壓電路的工作原理和應(yīng)用。器件AAT3110采用SOT23-6L的封裝，輸出電壓4.5V，適用于常態(tài)輸出電流不大于100mA，瞬態(tài)峰值電流不大于250mA的并聯(lián)LED負(fù)載，具體應(yīng)用電路圖，如圖1所示。事先敘述一下有關(guān)兩倍升壓模式電荷泵的工作原理。AAT3110的工作原理框圖，如圖1、2所示，AAT3110使用一個(gè)開(kāi)關(guān)電容電荷泵來(lái)升高輸入電壓，從而得到一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓。AAT3110內(nèi)部通過(guò)一個(gè)分割電阻網(wǎng)絡(luò)取樣電荷泵輸出電壓和內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較，并由此調(diào)節(jié)輸出電壓。當(dāng)分割電阻網(wǎng)絡(luò)取樣電壓低于

3、內(nèi)部比較器控制的預(yù)設(shè)點(diǎn)(Trip Point)時(shí)，打開(kāi)雙倍電路開(kāi)關(guān)。電荷泵以?xún)蓚€(gè)不重疊的階段循環(huán)開(kāi)關(guān)四個(gè)內(nèi)部開(kāi)關(guān)。在第一個(gè)階段，開(kāi)關(guān)S1和S4關(guān)閉并且S2和S3打開(kāi)，使快速電容器CFLY充電到一個(gè)近似等于輸入電壓VIN的電壓。在第二個(gè)階段，開(kāi)關(guān)S1和S4打開(kāi)并且S2和S3關(guān)閉。在第一階段時(shí)，快速電容器CFLY的負(fù)極接地。在第二個(gè)階段時(shí)，快速電容器CFLY的負(fù)極則連接到了VIN。這樣使得快速電容器CFLY正極的電壓就升高到了2*VIN，并且通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)連接到輸出。在每一個(gè)循環(huán)階段，電荷從輸入節(jié)點(diǎn)VIN由較低電壓轉(zhuǎn)換成較高電壓。這個(gè)循環(huán)自己重復(fù)，直到輸出節(jié)點(diǎn)電壓足夠大以超越控制比較器的輸入閥值電壓

4、。當(dāng)輸出電壓超過(guò)內(nèi)部預(yù)設(shè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，開(kāi)關(guān)循環(huán)停止并且電荷泵回路置于一個(gè)空閑狀態(tài)。在空閑狀態(tài)時(shí)，AAT3110有一個(gè)不大于13A的靜態(tài)電流。AAT3110還內(nèi)置一個(gè)時(shí)鐘振蕩器當(dāng)作驅(qū)動(dòng)電荷泵的開(kāi)關(guān)信號(hào)，自由運(yùn)行的電荷泵開(kāi)關(guān)頻率在750kHz左右。上述表明AAT3110的整個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)包括了電壓感應(yīng)回路和控制比較器。此外， AAT3110還提供一個(gè)外部可調(diào)節(jié)的平衡電阻，調(diào)節(jié)相對(duì)應(yīng)的輸出電壓和輸出負(fù)載電流。在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)成有兩檔平衡電阻可供調(diào)節(jié),具體電路如圖3所示。AAT3110驅(qū)動(dòng)四顆并聯(lián)的LED，SHDN_B為電源控制腳，控制IC的打開(kāi)和關(guān)閉，STROBE為閃光燈控制腳，控制閃光燈是否閃爍。R

5、603是LED平衡電阻，R602為峰值電流調(diào)節(jié)電阻；當(dāng)STROBE為低電平時(shí)，NMOSFET關(guān)閉，LED通過(guò)R603接地發(fā)光，此設(shè)計(jì)為作手電筒功能時(shí)的狀態(tài)，SHDN_B為高電平，控制電荷泵工作，輸出4.5V的電壓，此時(shí)通過(guò)LED的電流為14mA*4,那么由公式計(jì)算，可得知R603的阻值約為22。由于LED在導(dǎo)通后微小電壓變化會(huì)導(dǎo)致電流大幅變化，因此除了平衡外也有限流的作用。當(dāng)STROBE為高電平時(shí)，NMOSFET打開(kāi)，此時(shí)電流通過(guò)R602構(gòu)成回路，每個(gè)LED瞬時(shí)脈沖電流50mA,進(jìn)入高亮度的閃光狀態(tài)，供拍照時(shí)使用，這種狀態(tài)不能長(zhǎng)時(shí)間保持，大概在200ms左右，應(yīng)當(dāng)關(guān)閉NMOSFET。電荷泵效率

6、可以簡(jiǎn)單的表示成一個(gè)線性穩(wěn)壓管，它有一個(gè)高效的電壓輸出可以達(dá)到輸入電壓的兩倍。效率在理想的雙倍電壓下可以典型的表示成輸出功率除以輸入功率： 。另外，在一個(gè)理想的雙倍電壓電荷泵中，輸出電流可以被表示為輸入電流的一半。效率公式可以被寫(xiě)成： 。一個(gè)輸出4.5 V，實(shí)際輸入2.8 V的電荷泵，理論上的效率是80.4%。由于內(nèi)部開(kāi)關(guān)損耗和IC靜止電流損耗，實(shí)際的效率，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量可以達(dá)到79.6%。這個(gè)數(shù)據(jù)在一個(gè)大范圍的輸出負(fù)載條件下都可以得到認(rèn)可。但效率會(huì)因?yàn)樨?fù)載電流下降到0.05mA以下或者當(dāng)VIN逼近VOUT的時(shí)候而減少。器件外部電容的選擇也是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題，仔細(xì)的選擇三個(gè)外部電容CIN，COUT

7、和CFLY是非常重要的，因?yàn)樗鼈儗⒂绊戦_(kāi)啟時(shí)間，輸出紋波和暫態(tài)表現(xiàn)。當(dāng)CIN，COUT和CFLY使用較低串聯(lián)等效阻抗(ESR 100m)的陶瓷電容時(shí)將會(huì)獲得最適宜的性能。通常，低ESR電容定義為ESR值低于100m的電容。如果需要一個(gè)特殊的應(yīng)用，低ESR鉭電容可以作為替代，然而不一定會(huì)達(dá)到最好的紋波輸出。由于AAT3110固有的高ESR特性而不推薦使用鋁電解電容。一般在一個(gè)開(kāi)始點(diǎn)，當(dāng)AAT3110使用在最大輸出負(fù)載條件下,CIN和COUT電容值可以選擇10F，CFLY為1F。在較輕負(fù)載應(yīng)用時(shí)，CIN，COUT和CFLY可以使用較低的值。因此，CIN和COUT的范圍可以是從輕負(fù)載的1F到重負(fù)載的

8、10F。CFLY可以從0.01F到2.2F或者更多。如果CFLY增加，COUT將要以相同比率增加來(lái)減少紋波輸出。一個(gè)基本的規(guī)則就是，建議CIN，COUT和CFLY之間的比例近似為10:1。降低CIN，COUT和CFLY值的后果就是輸出紋波的增加?？偠灾?，如果外部電容值嚴(yán)重偏離了CIN = COUT = 10F和CFLY = 1F這個(gè)級(jí)數(shù)值，那么AAT3110的輸出性能將無(wú)法保證。順帶敘述一下電容器的特性。在所有種類(lèi)的電容器中，強(qiáng)烈推薦陶瓷合成物電容器結(jié)合AAT3110使用。陶瓷電容器相對(duì)于相同容值的鉭電容和鋁電解電容有許多優(yōu)點(diǎn)。陶瓷電容器一般都有非常低的ESR值，低成本，擁有一個(gè)小PCB封裝

9、并且沒(méi)有極性。低ESR將最大可能的幫助電荷泵減小暫態(tài)響應(yīng)。因?yàn)樘沾呻娙萜鳑](méi)有極性，所以它們不會(huì)導(dǎo)致連接損壞。ESR值是一個(gè)選擇電容器時(shí)的重要指標(biāo)。陶瓷電容器ESR的典型值一般在幾個(gè)m到數(shù)十m這個(gè)級(jí)數(shù)，在鉭電容或者鋁電解電容中ESR的典型值可以達(dá)到數(shù)百m甚至幾歐姆。ESR是電容器固有的一個(gè)內(nèi)部阻抗，主要取決于電容器尺寸和面積，電容器的化合材料以及周?chē)鷾囟取Ｌ沾呻娙萜鞑牧系膽?yīng)用情況：低于0.1F的陶瓷電容器通常材料是NPO和COG。NPO和COG材料通常擁有精確的公差并且受溫度影響不大。大電容值通常使用X7R、X5R、Z5U或者Y5V絕緣體材料。大的陶瓷電容器，一般指電容值大于2.2F，通?？梢允?/p>

10、用低成本Y5V和Z5U絕緣體，但是大電容器不屬于AAT3110應(yīng)用范圍。電容器面積是另外一個(gè)導(dǎo)致ESR的問(wèn)題，相比同樣材料的一些電容器，大尺寸的電容器將會(huì)有低ESR值。相比較小封裝的等值電容器來(lái)說(shuō)，這些較大器件可以改善回路暫態(tài)響應(yīng)，但是將給縮小空間帶來(lái)更大的壓力，設(shè)計(jì)中可以綜合考慮，選擇合適的一個(gè)折衷值。如何減少輸出紋波？電荷泵輸出紋波的振幅和頻率是由許多因素決定的，如電容COUT和CFLY的值，負(fù)載電流IOUT和輸入電壓VIN的級(jí)別。就VIN來(lái)說(shuō)，加大VIN可以增加電荷泵從輸入到輸出端傳遞電荷的能力。但是，輸出紋波的峰峰值也會(huì)增加。COUT和CFLY的值和類(lèi)型都對(duì)輸出紋波有影響。因?yàn)檩敵黾y波

11、與電容的R/C充電時(shí)間常數(shù)相關(guān)聯(lián)，電容值和ESR值都將會(huì)對(duì)電荷泵輸出紋波有作用。這就是為何推薦在電荷泵應(yīng)用中使用低ESR電容的原因。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，輸出紋波在VIN = 3.0 V，VOUT = 5.0 V，COUT = 10F和CFLY = 1F時(shí)不會(huì)大于30mVP-P。當(dāng)AAT3110在IOUT10mA的輕負(fù)載條件下應(yīng)用的時(shí)候，快速電容器CFLY的值應(yīng)該相應(yīng)減少。這種做法的原因是，當(dāng)電荷泵工作在非常輕的負(fù)載下，通過(guò)CFLY傳遞的電荷比在每個(gè)開(kāi)關(guān)循環(huán)階段要多。結(jié)果是在電荷泵輸出看見(jiàn)較高的紋波。消除這個(gè)影響可以通過(guò)減少CFLY的值來(lái)達(dá)到。減少CFLY的值需要謹(jǐn)慎。如果因?yàn)镃FLY的減少導(dǎo)致輸出負(fù)

12、載電流增加到名義值以上，電荷泵的效率則會(huì)受到影響。減少紋波輸出的方法有很多種，主要取決于給定應(yīng)用的需要。最簡(jiǎn)單而且直接的方法就是增加COUT電容的值。一般COUT電容的值可以由10F增加到22F或者更多。較大的COUT電容（22F及更多）生來(lái)就具有低ESR值并且可以改善電荷泵高頻和低頻器件的輸出紋波響應(yīng)。如果在COUT處使用一個(gè)更大值的鉭電容來(lái)降低低頻紋波，一個(gè)小的低ESR陶瓷電容可以并聯(lián)加在鉭電容旁（如圖4）。這樣做是因?yàn)橐话沣g電容的ESR值比等價(jià)陶瓷電容的要高，減少高頻元件的輸出紋波能力較低。唯一使用大容量COUT電容的缺點(diǎn)就是AAT3110裝置開(kāi)啟時(shí)間和涌入電流有可能增加。當(dāng)然，鉭電容的

13、價(jià)格也比相同容量的陶瓷電容要貴。如果需要額外的紋波減少，則可以在COUT處給電荷泵增加一個(gè)R/C濾波器來(lái)減少紋波輸出（如圖5）。R/C濾波器可以根本上削弱輸出紋波。R/C濾波器的低頻斷點(diǎn)將主要取決于電容值的選擇。關(guān)于AAT3110印刷電路板布局的一些建議。由于電荷泵的高開(kāi)關(guān)頻率和大峰值暫態(tài)電流的存在，在設(shè)計(jì)印刷電路板必須適當(dāng)做些考慮，避免AAT3110的外圍電路干擾其他電路。特別是應(yīng)該盡量遠(yuǎn)離給CMOS Sensor供電的LDO及CMOS Sensor等器件。通常在電荷泵升壓電路的應(yīng)用規(guī)則中，所有外部電容必須盡可能靠近電荷泵器件，并且引線盡可能短，電源輸入輸出的引線還要求盡可能粗。盡可能最大化

14、AAT3110附近的接地面，并且確定所有外部電容都直接連接到接地面上。如果由于布局的限制，不可能滿足上述接地要求，則應(yīng)該保證使用大的或者若干過(guò)孔來(lái)進(jìn)行良好的接地連接。電感型DC-DC升壓轉(zhuǎn)換原理的介紹以 Monolithic Power Systems(MPS)公司的升壓器件MP1518為例，介紹電感式升壓電路的工作原理和應(yīng)用。器件MP1518同樣采用SOT23-6L的封裝，適用于LED為串聯(lián)形式，電流在10 mA到20mA的負(fù)載，具體應(yīng)用電路圖，如圖6所示。事先敘述有關(guān)電感式升壓的工作原理。器件MP1518工作原理框圖，如圖6、7所示。器件MP1518內(nèi)部集成控制邏輯電路和反饋電路?？刂七壿?/p>

15、電路輸出信號(hào)S6控制場(chǎng)效應(yīng)開(kāi)關(guān)管M1的導(dǎo)通和關(guān)斷，在M1導(dǎo)通的時(shí)間內(nèi)，肖特基二極管D1反向截止，電感L1的電流持續(xù)增加，在M1關(guān)斷的時(shí)間，L1通過(guò)D1給VOUT端的電容C2充電。通過(guò)這樣的反復(fù)開(kāi)關(guān)M1以及反饋控制，驅(qū)動(dòng)電路將穩(wěn)定在所設(shè)置的情況下。同時(shí)，在輸入電壓一定的條件下，驅(qū)動(dòng)LED兩端的電壓和信號(hào)S6的占空比有關(guān)。控制邏輯電路其實(shí)就是一個(gè)RS觸發(fā)電路，信號(hào)S6的占空比變大變小，取決于PWM比較器的輸出信號(hào)S5。當(dāng)信號(hào)S5為低電平時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，信號(hào)S6的占空比變大。反之，當(dāng)信號(hào)S5為高電平時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，信號(hào)S6的占空比變小。下面將分析反饋電路如何控制這個(gè)占空比。由于背光電流通過(guò)外部反饋電阻R1到

16、地，因此在反饋電阻R1上可以檢測(cè)到一個(gè)反饋電壓。此電壓通過(guò)器件管腳FB接到內(nèi)部一個(gè)差分放大器的正相端，差分放大器的負(fù)相端接到電壓為104mV的內(nèi)部參考源。兩者的差值放大后所得到的信號(hào)S4，接到PWM比較放大器的負(fù)相端。器件內(nèi)置晶振電路產(chǎn)生1.3MHz的方波信號(hào)，通過(guò)三角波發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)同頻的三角波信號(hào)S1。在M1和地之間有一個(gè)電流反饋電阻，主要起過(guò)流保護(hù)作用。電阻兩端的電壓經(jīng)過(guò)差分放大，產(chǎn)生信號(hào)S2。器件正常工作時(shí)，電阻兩端的壓差很小，產(chǎn)生的信號(hào)S2幅度也小，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信號(hào)S1。因此，信號(hào)S1和信號(hào)S2通過(guò)加法器得到的信號(hào)S3的幅度和信號(hào)S1幅度基本保持一致。背光電路啟動(dòng)時(shí)，由于此時(shí)FB腳偵測(cè)

17、到的電壓和基準(zhǔn)反饋電壓差值很大，一個(gè)周期內(nèi)差值放大后的信號(hào)S4幅度大于信號(hào)S3的時(shí)間也就變長(zhǎng)，比較器輸出信號(hào)S5低電平的時(shí)間變長(zhǎng)。在這種情況下，S6的占空比變大，M1導(dǎo)通時(shí)間也變長(zhǎng)，輸出電壓升高。隨著輸出電壓的增高，F(xiàn)B腳在限流電阻上檢測(cè)到的反饋電壓隨之升高，則它與反饋基準(zhǔn)電壓的壓差減小，由上段分析可知，M1導(dǎo)通時(shí)間將隨之減短，這樣通過(guò)反饋?zhàn)饔?，F(xiàn)B電壓最終將在反饋基準(zhǔn)電壓附近穩(wěn)定下來(lái)，控制邏輯電路輸出信號(hào)S6的占空比將穩(wěn)定在一個(gè)值，此時(shí)的輸出電壓也將穩(wěn)定下來(lái)。背光IC進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。由于某些原因，當(dāng)電感電流過(guò)大的時(shí)候，為了避免驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生故障，電流反饋電路的過(guò)流保護(hù)作用將被啟動(dòng)。由于電流無(wú)

18、法突變的特性，當(dāng)它進(jìn)入充電周期的時(shí)候，M1發(fā)射級(jí)電流也過(guò)大，電流反饋電阻兩端的電壓增大，通過(guò)差分放大后的信號(hào)S2的電壓值也變大。由于S3=S1+S2，這樣在一個(gè)周期內(nèi)信號(hào)S3大于信號(hào)S4的時(shí)間增加，因此比較器輸出信號(hào)S5為高電平的時(shí)間變長(zhǎng)，信號(hào)S6的占空比將變小。當(dāng)電流超過(guò)一個(gè)范圍，將出現(xiàn)在一個(gè)周期內(nèi)信號(hào)S3恒大于信號(hào)S4，信號(hào)S5恒為高電平，信號(hào)S6恒為低電平，M1截止。下面敘述MP1518外圍器件參數(shù)選擇的依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，具體電路如圖8所示。反饋電阻的參數(shù)選擇，根據(jù)LED 電流額定的要求，正常背光狀態(tài)下為20mA。MP1518 的FB 端的電壓應(yīng)等于內(nèi)部參考源電壓為104mV，因此可得

19、反饋電阻阻值為：R1=104/20=5.2，取常規(guī)電阻值為5.1 ，該電阻的功耗為：PR1=20*20*5.2*0.001=2.04mW，可選擇0402型號(hào)的電阻；輸入電容參數(shù)選擇，在輸入端放置一個(gè)2.2F的陶瓷電容，材質(zhì)為X5R或X7R，電容的標(biāo)稱(chēng)耐壓值必須大于1.2*VIN；輸出電容參數(shù)選擇，在輸出端連接一個(gè)1F 的陶瓷電容就可以滿足大多數(shù)的應(yīng)用，材質(zhì)為X5R 或X7R，該電容的標(biāo)稱(chēng)耐壓值必須大于：1.2*(N * 3.5)V。其中：N 為輸出LED 的個(gè)數(shù)；輸入電感值的選取，一般選取22H的低直流阻抗的電感作為BOOST 電感，以提高電源整體部分的效率，電感的額定電流值選取為1.25*2

20、*Io*N*3.5/Vinmin；BOOST二極管的選取，BOOST 二極管選取標(biāo)稱(chēng)耐壓值大于：1.2*(N * 3.5)V；額定電流值大于350mA（該電流值主要考慮在輸出短路的情況下仍能保證二極管不被損壞。一般情況下，若不考慮這種極限情況，可以選擇100-200mA二極管）。選擇恢復(fù)特性好的肖特基二極管，以保證電源部分的整體效率。通過(guò)上述分析，為了調(diào)整LED的亮度，可以改變信號(hào)S6的占空比，從而改變輸出電壓來(lái)達(dá)到改變LED的亮度；也可以改變外部反饋電阻R1，從而改變輸出電流來(lái)達(dá)到改變LED的亮度。但在實(shí)際應(yīng)用中，往往是在器件IC的開(kāi)關(guān)使能管腳EN(CE)上加一個(gè)PWM波，通過(guò)改變這個(gè)PWM波的占空比來(lái)調(diào)整LED的亮度。這個(gè)PWM波信號(hào)可以通過(guò)選擇Trident的一個(gè)PWM輸出可編程外部接口來(lái)給以，應(yīng)用上通過(guò)對(duì)相關(guān)寄存器的編程，方便更改輸出PWM波的占空比。具體項(xiàng)目中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在LED高等亮度情況下，PWM波輸出信號(hào)占空比為100；中等亮度情況下的占空比為50；低等亮度情況下的占空比為33。值得注意的是，此PWM信號(hào)和芯片內(nèi)部控制MOS管開(kāi)關(guān)的PWM信號(hào)是不同的兩個(gè)信號(hào)。從功能上看，前者是控制整個(gè)背光IC的使能信號(hào)，后者是背光IC工