新式降压转换设计并实现PWM升压转换器.docx

新式降压转换设计并实现PWM升压转换器著式降压转换设计并实现PW升压转换ChristianSchinpf1.e.JorgKirchner本文针对升压转换器介绍种新型式的输出枪压技术,它不但节省电路板面枳,就W输入电压而输出电压,它也能提供良好的他氏效果，这种新技术不用低压降之战性和压器就能完成降压转换,它也不像是SEE1.C或其它非反相升降压(buckboost)转换器需要腕外的电感成由盍.这种概念是以FWoS曲酒1器的后-闸极(back-gate)拌制为基础.它能避免电路在降压模式工作时,基底二极管(substratediode)出现顺向偏压,这赎转换器来用IO只接班的0P拊装，它只需要一颗外接电感和电容，就便提供1.8丫至5.5V的留压输出，输出蝇公高20011,连续升压模式的我换效率超过85%,用高甚至达到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.来达成在轻教情况下更高的转换效率，介的为了延长电池赤命同时减少高度整合之系统的散热问题，今H的电池供电型式之可携式也立员需要高效率的生遨供应解决方案：除此之外,这类电双还必须在一颗或多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FK.举例来说，对J使用两颗碱性电池、探镉电池或燃级电池的系统，可以假设其所需的供应电出为2.8V4新的碱性电池通常能提供1.6V1.,65V的电压,在将两颗电池的联的双电池应用中,这我示总电压可达3.3V.图I是升压转换电路在未接负我和大约33。虫阳性鱼孜条件下，串联至输入端的两颇碱性电池的放电情形，从图中可看出至少在90K的电池供电时间内，电池电压会低于2.8%升压转换器是比区域内的J佳选择,但由于新电池的供应电压Jrt高达到3.3Y,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乐.图1：两颗碱性电池小联至升压转换器输入端所得到的放电曲场也要产生应用所羯的2.8V输出电压，可能方法之一是使用SEP1.C或是CUk之类的升-降压(buckboost)转换器它们会先提供降压转换,等到触联电池的电压都低于1.5Y胶定电压.就改用开JK转换.直到电池输出电乐小于转换器所能接受的最低输入电位,这种电路的主要映点是它们至少需要两个电感和个新j外电容.升-降压(buck-jost)转换器的输出功率为:Pi=h1XViXD×(1-D)(1)其中I1.Peak是电感的峰值电流,VpeakVout+Vin,D是负1.周期,当D0.5和YoUtVinH1.即可得到用大输出功率PoUt=Pout.maxo对于升乐转换牌，输出功率等于IPM=I1.eXVZ×(1-W(2)当D=1时，Pout=Pout,11ax,Vout=Vin,从公式(1)和(2可得知升压朴换器的Pou1.max卜丫升降压换备则为POUt.max0.251.丫1。这表示对于同样的限制因案h.i以及Vt.*.升-降乐压转换器所能槌供的鼓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收降之我性松乐器(U2),并在其前端出加升压朴换电温，由它提供适当的输入电压给1.DO.该输入电压在整个电池供电时间内至少应等于1.DO的输出电压(此处为2.8V)再加上UX)正常操作所需的及小电压降(dropoutvo1.tage).等到电池的电压域少至2.8V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法方案，本文介绍一种新型式的的升压转换落,它就算输入电压高于输出电乐.也能透过同步整流得和倒我周期的控制来提供额定的检压籁出，不必另外增加I电次或电容,也不需要使用低压降之线性卷压器，本文内容如下：第二段是电路架构和不同1：作模式的说明,第三段介绍控制方式,第四段提供甚心实作的求测结果，第五段则是最后的总结评论，电明K构这种升压转换器的电路架构如图2所示，叱我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-gaud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-网极住在Vout和SW电路接点之向切换。在电源刚激活的VinYW1.阶段，后闸极会连接至SW接点，IWS则像电淹泡,用来将C。Ut充电至Yin左右.假设Yout,non为触定输出电压.若Vin<Vout.nom.技换滞会切换至升Jk模式.等到YinVOUt.nom后电路就开始在降乐模式I：作.图2内建降小林换功使的升出技换器方块图A.升乐模式在升压模式下,PMOS开关晶体管的后一闸极是连接至Vout,它的闸极则会在NMOS导通期间ton的电压You1.以及NMoS破止期间Ioff的0丫之间切换，在开关晶体管为理她组件的©设下，升Hi线换器的负栽阔期公式为rD=Vouc-VinZVoui(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，比升压转换器的平均电想电流为：I,.t三Iout1.-D(4>图1：连续模式和古电模式分界点上的电感电流值若如图4所示.电感电流的量小(ft刚好等于零,则共峰值为：I(to+ton)=1.XVinXton(5)在这些条件E个时脓周期内的平均电感电流等于：I产1/21.XVi11Xton(6)当负我较小时，电感上的电流可能变成ft(ft.因此为了避免电流在某些时间内从输出线经由PMoS功率晶体和电序回流至Vin,电路激活后只要Yout在可接受的误差慈困内,转换腓就会在省电模式I：作.这表示与其在效率较低的不连续模式下操作.转换落会进入用置状态,此时M1.OS和PMoS都处于被止状态，大多数功能方块的电源也被切断，这能节省电力消耗，进而提升特换器的工作效率，等到怆出电压下降至Ki设的YoUtJS,电压值,转换牌就会Ift新开始工作.根据公式(4)和(6),省电模式的I：作条件可表示成：B.降压模式降乐模式的工作条件可简单表示成:图5：降压模式卜的转换器电路图在激活阶段,只要Vout尚未达到其撷定修，就必须将降压模式关闭.图5是降压模式的等效电路，注意当NMaS故止时，若PvaS就像在标准升压模式一样的进入导通状态，那么SH接点上的电压所等于YOUt,电感两端也会出现Vin-VoUt的正电压降，电感电流也因此会增加A1.1.×(Vin-Vout).这表示1.在XMOS导通和截止时都会用如,PWMHJi式直流转换器的伏特-杪(vo1.t-seeonds)在这两种状态下必很相等条件也因此被打破.在这些条件下，电感电流会维续加加口到VOUIVin.因此在设计电路时,必缭的保PMOS开关在降压粳式下水远处于截止状态.要做到这一点.PMOS闱极电压会如图5所示的被箝位至Vin,这样当闸极电压像在升压模式样的被设为YmK而让PMOS进入衽止状态后，只要Vin电压假高于VOU1.再加上PMQS的临界电压VT.p.这颗品体售就会进入导通状态.在降压模式下,PMOS晶体管的后-何板接科BG不会像升压模式一样的连接至Vout.因为后闸极二极管会在Vin-Vout>Vd时进入顺向偏压状态,其中Yd是二极管的顺向电糜,其值约为0.7、'.后-网极拴则出现在将PMoS后-闸极和VoUt的连接切断，确保后-胡极二极管不会进入Mi向偏压状态，当NMOS开关在降压模式下导通时，PMQS的后-闸极会经由另一封小型PMOS组件(M3)连接至Vout.图6是后同极控制电路中,开关姐件的可施实作方式之一.它是由幽款做为开关的功率IaMR1.成，功率晶体M1.会在Vout<Vin的G初阶段中将BG连接至SW,此时功率晶体就像是对输出电容光电的电流源，进入升压模式后，功率晶体M2会将BG连接至Vout,其中讯号DM="0”显示降乐模式已被关闭.把Y2的后-闸极连接至BG接点.即可确保在降压模式1.V2的后-闸极一极管不会进入联向儡压状态，也不会行电流通过后一间极.因此相较于大里的NMoS和PMOS开关,MhM2和M3可以使用较小的功率晶体。图6：后-伸极控制开关在连续开Jk模式下.SW上的电压会在OV和VOU1.之间改变.在降压模式下PMOS晶体管不会在NXIOS截止时迸入导通状态.因此SW电压会在0V和Vin+VT.p之间切换.降压模式激活后，转换器就能在连坡模式和省电模式下工作，省电模式的条件和（7）所描述的相同.图7是电路从升压模式转换至降压模式时,小波渊上所若到的SH电压波形,转换曙在这种两根式下都会连块进行切换.升压和降压模式之间的中断部份是由控制电路所产生.四为M1.OS在Vin'Vout的导通时间非常小，使得部份的脓冲讯号（XMOS切换作业）被跳过.图7：从升压模式转换至降压模式时的SW讯号电压模式拄UM本文介绍的转换器是利用定频电压模式拽制来提供枪压输出，其中升压模式的负我周期控IH蹩法是由公式（3）法定，这个能够自动控制NMOS的战止时间Ioff,迸而控制负我周期的犯法是出两个部份姐成：电流产牛.零和定时器单元。在升压模式下,电流产生零电路会产生一个等比于VoUt的电流,同时提供参考电压给RC圈跚,由它产生时间周期为T=RC的时脓必冲.定时罂内另个电容的为C的电容抑隔时间T就会充电至Vin,然后由电流产生器的电流将其放电，为了得到更高的稻确度，比设计会利用个/港放火器来设整放电电流,电容的电压会与某个固定电压值比较（对于理想的MOS开关组件，这是指地电位）,等到电容放电至此电压值.比我龊就会产生个砂冲.代龙XMoS被止时间已经结束.这个“IOS开关也会进入导通状态.等到振荡器产生卜个脓冲时再迸入截止状态.接落.我们珞详细说明降压模式的控制算法.在降压模式葭我们也能根据图5利用伏特-秒相等的原理来口出所需的负我同期，忽略NMOS和PMOS开关的电阻性损耗，那么在WOS的9通和赦止期间内,电好两箱的电压为：V(Ion)=VinV(toff)="VT.p应用伏特秒相等的原理即可得到：*VWV(I(J)对于固定频率f=1/T,可将XMoS的截止时间设为:(11)就能从公式(IO)得到所要求的负我周期.图8是降压模式下,他止时间控制涔的工作晓理,电流产生零方块会提供等比于Vin+VT.P的电流,定时器的电容C则会在T=RC的时间内充电至Vin,然后利用电流产生鹘所产生的电流I=(Vin+VTp)/R进行放电.个荷值的比较器接着会在UIff时间内产生多个M冲.很明显的，振荡器的R和C必须相等于电流产生器内的R以及定时器的Co为了得到所强求的精确度,误差放大等会根据正比于IVoutVn<>n|的误差讯号来提供电流Ierr,其中Vnom是所要求的额定输出电压.必须注意的是，只有电流产生器在升压和降压模式下的工作方式不同，控制器的所有其它例份在这四种模式下的功陡都完全相同，图8：降压模式的控制机制实验结果我们利用-领芯片来实作本文所介绍的转换器,它能支持1至3颗碱性电池、锹加或快乳电池应用，例如电音乐播放机或PDA.这个转换器的输入电压从0.9V至5.5丫，输出电压则能在1.8V5.5V之间调整,理论上，Yin可以用过VoU1.任何值，但实际上却须将PvaS开关在降压作业模式的较大功耗列入考虑。在降压模式下,PMOS晶体管两端的电压降等于VinYT.PVoU1.其功耗则能由下式计算:P<ow=IoutX(Vin+VT.P-Vout)(12>K1.卷芯片环境的热阻抗不同,我们可以忏对特定的YoUt和Iout来计见所能接受的YinH大tf1.这在实际应用中必缭列入考叱.在本文所介绍的Ift测过程中，我们限制Yin最多不使比Vout高出1.5丫。效率是转展照蚊垂耍的参数之一.本文在进行fit测时会将徜出电JK定.然后改变