DC-DC升压电路原理与应用

DC DCDC DC 升压电路原理与应用升压电路原理与应用 目前 在手机应用电路中 通常需要通过升压电路来驱动闪光灯模组的 LED 或 者是显示屏背光的 LED 并且通常可以根据不同情况下的需求 调节 LED 的明暗程 度 一般的 LED 驱动电路可以分成二种 一种是并联驱动 采用电容型的电荷泵倍 压原理 所有的 LED 负载是并联连接的形式 另一种是串联驱动 采用电感型 DC DC 升压转换原理 所有的 LED 负载是串联连接的形式 这类应用电路中采用的升 压器件有体积小 效率高的优点 而且大多数是采用 SOT23 5L 或者 SOT23 6L 的封 装 外加少量阻容感器件 占用电路板很小的空间 在此 结合具体器件的使用情 况 介绍这两种升压器件的工作原理和应用 电容型的电荷泵倍压原理的介绍电容型的电荷泵倍压原理的介绍 以 AnalogicTech 公司的升压器件 AAT3110 为例 介绍电容型的电荷泵升压电 路的工作原理和应用 器件 AAT3110 采用 SOT23 6L 的封装 输出电压 4 5V 适用 于常态输出电流不大于 100mA 瞬态峰值电流不大于 250mA 的并联 LED 负载 具体 应用电路图 如图 1 所示 事先叙述一下有关两倍升压模式电荷泵的工作原理 AAT3110 的工作原理框图 如图 1 2 所示 AAT3110 使用一个开关电容电荷泵来升 高输入电压 从而得到一个稳定的输出电压 AAT3110 内部通过一个分割电阻网络 取样电荷泵输出电压和内部参考电压进行比较 并由此调节输出电压 当分割电阻 网络取样电压低于内部比较器控制的预设点 Trip Point 时 打开双倍电路开关 电荷泵以两个不重叠的阶段循环开关四个内部开关 在第一个阶段 开关 S1 和 S4 关闭并且 S2 和 S3 打开 使快速电容器 CFLY 充电到一个近似等于输入电压 VIN 的 电压 在第二个阶段 开关 S1 和 S4 打开并且 S2 和 S3 关闭 在第一阶段时 快速 电容器 CFLY 的负极接地 在第二个阶段时 快速电容器 CFLY 的负极则连接到了 VIN 这样使得快速电容器 CFLY 正极的电压就升高到了 2 VIN 并且通过一个开关 连接到输出 在每一个循环阶段 电荷从输入节点 VIN 由较低电压转换成较高电压 这个循环自己重复 直到输出节点电压足够大以超越控制比较器的输入阀值电压 当输出电压超过内部预设点标准时 开关循环停止并且电荷泵回路置于一个空闲状 态 在空闲状态时 AAT3110 有一个不大于 13 A 的静态电流 AAT3110 还内置一 个时钟振荡器当作驱动电荷泵的开关信号 自由运行的电荷泵开关频率在 750kHz 左右 上述表明 AAT3110 的整个闭环反馈系统包括了电压感应回路和控制比较器 此外 AAT3110 还提供一个外部可调节的平衡电阻 调节相对应的输出电压和输 出负载电流 在实际应用中 设计成有两档平衡电阻可供调节 具体电路如图 3 所 示 AAT3110 驱动四颗并联的 LED SHDN B 为电源控制脚 控制 IC 的打开和关闭 STROBE 为闪光灯控制脚 控制闪光灯是否闪烁 R603 是 LED 平衡电阻 R602 为峰 值电流调节电阻 当 STROBE 为低电平时 NMOSFET 关闭 LED 通过 R603 接地发光 此设计为作手电筒功能时的状态 SHDN B 为高电平 控制电荷泵工作 输出 4 5V 的电压 此时通过 LED 的电流为 14mA 4 那么由公式计算 可得知 R603 的阻值约为 22 由于 LED 在导通后微小电压变化会导致电流大幅变化 因 此除了平衡外也有限流的作用 当 STROBE 为高电平时 NMOSFET 打开 此时电流 通过 R602 构成回路 每个 LED 瞬时脉冲电流 50mA 进入高亮度的闪光状态 供拍 照时使用 这种状态不能长时间保持 大概在 200ms 左右 应当关闭 NMOSFET 电荷泵效率 可以简单的表示成一个线性稳压管 它有一个高效的电压输出 可以达到输入电压的两倍 效率 在理想的双倍电压下可以典型的表示成输出功 率除以输入功率 另外 在一个理想的双倍电压电荷泵中 输出电流可 以被表示为输入电流的一半 效率 公式可以被写成 一个输出 4 5 V 实际输入 2 8 V 的电荷泵 理论上的效率是 80 4 由于内部开关损耗和 IC 静止电流损耗 实际 的效率 通过试验测量可以达到 79 6 这个数据在一个大范围的输出负载条件下 都可以得到认可 但效率会因为负载电流下降到 0 05mA 以下或者当 VIN 逼近 VOUT 的时候而减少 器件外部电容的选择也是一个关键的问题 仔细的选择三个外部电容 CIN COUT 和 CFLY 是非常重要的 因为它们将影响开启时间 输出纹波和暂态表 现 当 CIN COUT 和 CFLY 使用较低串联等效阻抗 ESR 100m 的陶瓷电容时将会 获得最适宜的性能 通常 低 ESR 电容定义为 ESR 值低于 100m 的电容 如果需 要一个特殊的应用 低 ESR 钽电容可以作为替代 然而不一定会达到最好的纹波输 出 由于 AAT3110 固有的高 ESR 特性而不推荐使用铝电解电容 一般在一个开始点 当 AAT3110 使用在最大输出负载条件下 CIN 和 COUT 电容值可以选择 10 F CFLY 为 1 F 在较轻负载应用时 CIN COUT 和 CFLY 可以使用较低的值 因此 CIN 和 COUT 的范围可以是从轻负载的 1 F 到重负载的 10 F CFLY 可以从 0 01 F 到 2 2 F 或者更多 如果 CFLY 增加 COUT 将要以相同比率增加来减少纹波输出 一个基本的规则就是 建议 CIN COUT 和 CFLY 之间的比例近似为 10 1 降低 CIN COUT 和 CFLY 值的后果就是输出纹波的增加 总而言之 如果外部电容值严 重偏离了 CIN COUT 10 F 和 CFLY 1 F 这个级数值 那么 AAT3110 的输出 性能将无法保证 顺带叙述一下电容器的特性 在所有种类的电容器中 强烈推荐陶瓷合成物电 容器结合 AAT3110 使用 陶瓷电容器相对于相同容值的钽电容和铝电解电容有许多 优点 陶瓷电容器一般都有非常低的 ESR 值 低成本 拥有一个小 PCB 封装并且没 有极性 低 ESR 将最大可能的帮助电荷泵减小暂态响应 因为陶瓷电容器没有极性 所以它们不会导致连接损坏 ESR 值是一个选择电容器时的重要指标 陶瓷电容器 ESR 的典型值一般在几个 m 到数十 m 这个级数 在钽电容或者铝电解电容中 ESR 的典型值可以达到数百 m 甚至几欧姆 ESR 是电容器固有的一个内部阻抗 主要取决于电容器尺寸和面积 电容器的 化合材料以及周围温度 陶瓷电容器材料的应用情况 低于 0 1 F 的陶瓷电容器 通常材料是 NPO 和 COG NPO 和 COG 材料通常拥有精确的公差并且受温度影响不大 大电容值通常使用 X7R X5R Z5U 或者 Y5V 绝缘体材料 大的陶瓷电容器 一般指 电容值大于 2 2 F 通常可以使用低成本 Y5V 和 Z5U 绝缘体 但是大电容器不属 于 AAT3110 应用范围 电容器面积是另外一个导致 ESR 的问题 相比同样材料的一 些电容器 大尺寸的电容器将会有低 ESR 值 相比较小封装的等值电容器来说 这 些较大器件可以改善回路暂态响应 但是将给缩小空间带来更大的压力 设计中可 以综合考虑 选择合适的一个折衷值 如何减少输出纹波 电荷泵输出纹波的振幅和频率是由许多因素决定的 如电 容 COUT 和 CFLY 的值 负载电流 IOUT 和输入电压 VIN 的级别 就 VIN 来说 加大 VIN 可以增加电荷泵从输入到输出端传递电荷的能力 但是 输出纹波的峰峰值也 会增加 COUT 和 CFLY 的值和类型都对输出纹波有影响 因为输出纹波与电容的 R C 充电时间常数相关联 电容值和 ESR 值都将会对电荷泵输出纹波有作用 这就 是为何推荐在电荷泵应用中使用低 ESR 电容的原因 试验数据表明 输出纹波在 VIN 3 0 V VOUT 5 0 V COUT 10 F 和 CFLY 1 F 时不会大于 30mVP P 当 AAT3110 在 IOUT 10mA 的轻负载条件下应用的时候 快速电容器 CFLY 的值 应该相应减少 这种做法的原因是 当电荷泵工作在非常轻的负载下 通过 CFLY 传递的电荷比在每个开关循环阶段要多 结果是在电荷泵输出看见较高的纹波 消 除这个影响可以通过减少 CFLY 的值来达到 减少 CFLY 的值需要谨慎 如果因为 CFLY 的减少导致输出负载电流增加到名义值以上 电荷泵的效率则会受到影响 减少纹波输出的方法有很多种 主要取决于给定应用的需要 最简单而且直接的方 法就是增加 COUT 电容的值 一般 COUT 电容的值可以由 10 F 增加到 22 F 或者更 多 较大的 COUT 电容 22 F 及更多 生来就具有低 ESR 值并且可以改善电荷泵 高频和低频器件的输出纹波响应 如果在 COUT 处使用一个更大值的钽电容来降低 低频纹波 一个小的低 ESR 陶瓷电容可以并联加 在钽电容旁 如图 4 这样做是因为一般钽电 容的 ESR 值比等价陶瓷 电容的要高 减少高频 元件的输出纹波能力较 低 唯一使用大容量 COUT 电容的缺点就是 AAT3110 装置开启时间和涌入电流有可能增加 当然 钽电容的价格也比相同容量 的陶瓷电容要贵 如果需要额外的纹波减少 则可以在 COUT 处给电荷泵增加一个 R C 滤波器来减少纹波输出 如图 5 R C 滤波器可以根本上削弱输出纹波 R C 滤波器的低频断点将主要取决于电容值的选择 关于 AAT3110 印刷电路板布局的一些建议 由于电荷泵的高开关频率和大峰值 暂态电流的存在 在设计印刷电路板必须适当做些考虑 避免 AAT3110 的外围电路 干扰其他电路 特别是应该尽量远离给 CMOS Sensor 供电的 LDO 及 CMOS Sensor 等 器件 通常在电荷泵升压电路的应用规则中 所有外部电容必须尽可能靠近电荷泵 器件 并且引线尽可能短 电源输入输出的引线还要求尽可能粗 尽可能最大化 AAT3110 附近的接地面 并且确定所有外部电容都直接连接到接地面上 如果由于 布局的限制 不可能满足上述接地要求 则应该保证使用大的或者若干过孔来进行 良好的接地连接 电感型电感型 DC DCDC DC 升压转换原理的介绍升压转换原理的介绍 以 Monolithic Power Systems MPS 公司的升压器件 MP1518 为例 介绍电感 式升压电路的工作原理和应用 器件 MP1518 同样采用 SOT23 6L 的封装 适用于 LED 为串联形式 电流在 10 mA 到 20mA 的负载 具体应用电路图 如图 6 所示 事先叙述有关电感式升压的 工作原理 器件 MP1518 工作原理框图 如图 6 7 所示 器件 MP1518 内部集成 控制逻辑电路和反馈电路 控制逻辑电路输出信号 S6 控制场效应开关管 M1 的导 通和关断 在 M1 导通的时间内 肖特基二极管 D1 反向截止 电感 L1 的电流持 续增加 在 M1 关断的时间 L1 通过 D1 给 VOUT 端的电容 C2 充电 通过这样的 反复开关 M1 以及反馈控制 驱动电路将稳定在所设置的情况下 同时 在输入电 压一定的条件下 驱动 LED 两端的电压和信号 S6 的占空比有关 控制逻辑电路其 实就是一个 RS 触发电路 信号 S6 的占空比变大变小 取决于 PWM 比较器的输 出信号 S5 当信号 S5 为低电平时间较长时 信号 S6 的占空比变大 反之 当信 号 S5 为高电平时间较长时 信号 S6 的占空比变小 下面将分析反馈电路如何控 制这个占空比 由于背光电流通过外部反馈电阻 R1 到地 因此在反馈电阻 R1 上可以检测到 一个反馈电压 此电压通过器件管脚 FB 接到内部一个差分放大器的正相端 差分 放大器的负相端接到电压为 104mV 的内部参考源 两者的差值放大后所得到的信 号 S4 接到 PWM 比较放大器的负相端 器件内置晶振电路产生 1 3MHz 的方波 信号 通过三角波发生器产生一个同频的三角波信号 S1 在 M1 和地之间有一个 电流反馈电阻 主要起过流保护作用 电阻两端的电压经过差分放大 产生信号 S2 器件正常工作时 电阻两端的压差很小 产生的信号 S2 幅度也小 且远远小 于信号 S1 因此 信号 S1 和信号 S2 通过加法器得到的信号 S3 的幅度和信号 S1 幅度基本保持一致 背光电路启动时 由于此时 FB 脚侦测到的电压和基准反馈电 压差值很大 一个周期内差值放大后的信号 S4 幅度大于信号 S3 的时间也就变长 比较器输出信号 S5 低电平的时间变长 在这种情况下 S6 的占空比变大 M1 导通 时间也变长 输出电压升高 随着输出电压的增高 FB 脚在限流电阻上检测到的 反馈电压随之升高 则它与反馈基准电压的压差减小 由上段分析可知 M1 导通 时间将随之减短 这样通过反馈作用 FB 电压最终将在反馈基准电压附近稳定下 来 控制逻辑电路输出信号 S6 的占空比将稳定在一个值 此时的输出电压也将稳 定下来 背光 IC 进入稳定工作状态 由于某些原因 当电感电流过大的时候 为 了避免驱动电路发生故障 电流反馈电路的过流保护作用将被启动 由于电流无法 突变的特性 当它进入充电周期的时候 M1 发射级电流也过大 电流反馈电阻两 端的电压增大 通过差分放大后的信号 S2 的电压值也变大 由于 S3 S1 S2 这样 在一个周期内信号 S3 大于信号 S4 的时间增加 因此比较器输出信号 S5 为高电平 的时间变长 信号 S6 的占空比将变小 当电流超过一个范围 将出现在一个周期 内信号 S3 恒大于信号 S4 信号 S5 恒为高电平 信号 S6 恒为低电平 M1 截止 下面叙述 MP1518 外围器件参数选择的依据 在实际应用中 具体电路如图 8 所示 反馈电阻的参数选择 根据 LED 电流额定的要求 正常背光状态下为 20mA MP1518 的 FB 端的电压应等于内部参考源电压为 104mV 因此可得反馈电阻 阻值为 R1 104 20 5 2 取常规电阻值为 5 1 该电阻的功耗为 PR1 20 20 5 2 0 001 2 04mW 可选择 0402 型号的电阻 输入电容参数选择 在 输入端放置一个 2 2 F 的陶瓷电容 材质为 X5R 或 X7R 电容的标称耐压值必须大 于 1 2 VIN 输出电容参数选择 在输出端连接一个 1 F 的陶瓷电容就可以满足大 多数的应用 材质为 X5R 或 X7R 该电容的标称耐压值必须大于 1 2 N 3 5 V 其中 N 为输出 LED 的个数 输入电感值的选取 一般选取 22 H 的低直流阻 抗的电感作为 BOOST 电感 以提高电源整体部分的效率 电感的额定电流值选取 为 1 25 2 Io N 3 5 Vinmin BOOST 二极管的选取 BOOST 二极管选取标称耐压值 大于 1 2 N 3 5 V 额定电流值大于 350mA 该电流值主要考虑在输出短路的 情况下仍能保证二极管不被损坏 一般情况下 若不考虑这种极限情况 可以选择 100 200mA 二极管 选择恢复特性好的肖特基二极管 以保证电源部分的整体效 率 通过上述分析 为了调整 LED 的亮度 可以改变信号 S6 的占空比 从而改变 输出电压来达到改变 LED 的亮度 也可以改变外部反馈电阻 R1 从而改变输出电 流来达到改变 LED 的亮度 但在实际应用中 往往是在器件 IC 的开关使能管脚 EN CE 上加一个 PWM 波 通过改变这个 PWM 波的占空比来调整 LED 的亮度 这个 PWM 波信号可以通过选择 Trident 的一个 PWM 输出可编程外部接口来给以 应用上 通过对相关寄存器的编程 方便更改输出 PWM 波的占空比 具体项目中的试验数据 表明 在 LED 高等亮度情况下 PWM 波输出信号占空比为 100 中等亮度情况下 的占空比为 50 低等亮度情况下的占空比为 33 值得注意的是 此 PWM