便携产品用新型电源DC-DC转换器

2006-05-07 15:49:47来源: 电子产品世界

    为了减小体积和重量,低功耗便携产品如PDA、掌上电脑、寻呼机和便携式测量仪表等大多采用数量有限的电池供电。这就存在两个重要问题:首先是随着电池放电,其端电压会明显降低;其次是电池具有一定内阻,而且随着放电内阻逐渐增大,在负载发生变化时造成输出电压的变化。为保证系统稳定、可靠地工作,需要一个稳定的电源电压。

    由于大多数情况需要提升电池电压,简单的三端线性稳压器无法满足要求,只能采用升压型开关稳压器。但是传统的开关电源设计电路复杂、体积庞大、自身功耗较大,无法在体积和功耗要求严格的便携式产品中使用。针对这个问题,Maxim公司研制了一系列高集成度电源管理方案。其中,新近推出的MAX1678、MAX1674/MAX1675/MAX1676系列升压型DC-DC转换器尤其适合1至3节电池供电的低功率便携产品。

DC-DC转换器原理

    升压型DC-DC转换器的电路结构如图1所示。开关K导通时电池B给电感L充电,在L中以场的形式储存能量1/2LI2(I为电感电流)。K断开后,L中的磁能又以电能的形式释放给滤波电容C2和负载RL。周期性的开关操作使电池能量源源不断地送入负载,而输出电压被转换为:

    Vout=Vin/(1-δ)

    其中δ为开关占空比(导通时间占工作周期的比率)。控制电路监测输出电压并控制占空比,从而达到调节和稳定输出电压的目的。控制方式最常见的有PFM(脉冲频率调制)和PWM(脉冲宽度调制)两种。前者具有较小的静态电流,轻载情况下效率较高,但纹波稍大。后者在重载时具有较高效率,噪声小。MAX1678和MAX1674/MAX1675/MAX1676系列升压型DC-DC转换器采用一种改进的限流PFM控制方式,控制电路限制电感充电电流,使其不超过某一峰值电流。既保持了传统PFM的低静态电流,同时在较重负载下也具有很高的效率,而且由于限制了峰值电流,采用很小体积的外围元件就可获得满意的输出纹波,利于降低电路的尺寸和成本。

    除了控制方式的改进外,MAX1678和MAX1674/MAX1675/MAX1676还采用另外两种技术以获得更高的性能:提高效率的同步整流和降低EMI(电源干扰)的阻尼换流。图1电路中,流过整流管D的平均电流ID等于负载电流,正向压降VDF造成转换效率的损失大约为VDF/Vout。即使采用正向压降较低的肖特基二极管,VDF仍有0.4~0.6V,输出电压比较低时(如3.3V),这种损失不容忽视(可达18%)。同步整流就是采用另外一只MOSFET替代二极管作为整流器。由于MOSFET的沟道电阻非常低,使速流器的功耗大大降低,进一步改善了转换效率(改善幅度达15%左右)。

    另外,对于普通的DC-DC转换器,如果用示波器观察图1中L和D的连接点处的波形, 可以观察到振荡现象。这是由于电感中的能量全部释放给负载后整流器关断,而此时在电感自身的寄生电容和引脚分布电容中还储存有一定的能量,这些电容和电感L构成的谐振电路在这些能量的作用下将发生振荡,部分能量将以电磁波的形式向外辐射出去,造成对其它电路的干扰,在对噪声敏感的应用中必须对其加以抑制。在MAX1678和MAX1676中采用了一种阻尼技术来抑制这种EMI。具体做法是,当电感中的能量释放完毕后,在电感两端接入一个电阻(200Ω),使谐振电路处于临界阻尼或过阻尼状态,将剩余能量消耗在电阻上,减小电磁辐射。

电路设计

    MAX1678和MAX1674/MAX1675/MAX1676内部已经集成了功率开关、同步速流器和控制电路,外接元件只有一只储能电感和输入/输出滤波电容,设计的主要任务就是根据实际需要选择合适的元件,用这四种器件组成DC-DC转换器的电路结构如图2所示。其中,如需加入开关阻尼,对于MAX1678需将BATT引脚接到电感连接电池的一端,对于MAX1676需通过一只200Ω电阻将BATT引脚与电感连接电池的一端相连。

电感的选择

    储能电感是影响DC-DC转换器性能的关键器件,主要考虑的参数有电感量、饱和电流和直流电阻。一般22μH~47μH的电感可以满足大多数应用的要求。较大的电感量有利 于减小电流的脉动,降低输出纹波,并增大输出电流容量(MAX1678例外)。在体积和成本允许的情况下应选用饱和电流比较大的电感,因为当磁芯接近饱和时损耗增大,会降低转换效率。电感的饱和电流至少应大于轮换器的峰值电流。电感的直流电阻会消耗一会的功率,在体积和成本许可的情况下应选用直流电阻尽量小的电感。另外对于低噪声应用,为降低电源的EMI,最好选用具有闭合磁芯的电感。

滤波电容的选择

    选择滤波的电容的主要依据是系统对电源纹波的要求。滤波电容的等效串联电阻(ESR)是造成输出纹波的主要因素,而且也会影响到转换效率,应选用低ESR的电容。陶瓷电容和钽电解电容具有较低的ESR,也可选用低ESR的铝电解电容,但应尽量避免标准铝电解电容。容量一般在10μF~100μF,对于较重的负载应选取大一点的电容。较大容量的滤波电容有利于改善输出纹波和瞬态响应。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200605/2091.html
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