新的超低靜態(tài)電流降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器 為工業(yè)系統(tǒng)及更多應(yīng)用供電

背景信息

在電源設(shè)計(jì)師用來(lái)應(yīng)對(duì)各種電源轉(zhuǎn)換情況的工具中，降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是最有用的工具之一。在這些情況中，由于存在非理想或多個(gè)輸入電源、瞬態(tài)干擾或存儲(chǔ)組件的充放電，所以輸入電壓會(huì)在很寬的范圍內(nèi)變化。單個(gè)電感器、同相降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器無(wú)縫地降低或升高輸入電壓并調(diào)節(jié)輸出電壓，無(wú)論輸入是高于、等于還是低于輸出。降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器都能夠靈活應(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)，因此節(jié)省了在印刷電路板 (PCB) 上占用的空間 / 面積，用料清單 (BOM) 也簡(jiǎn)化了。這些轉(zhuǎn)換器大幅度延長(zhǎng)了便攜式系統(tǒng)的電池壽命，因?yàn)樗鼈冊(cè)谡{(diào)節(jié)輸出的同時(shí)，更多地利用了電池的有用輸入范圍。在可能有多個(gè)電源的情況下，視電源的不同而不同，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。此外，在電源備份應(yīng)用中，存儲(chǔ)組件的放電電壓曲線橫跨所需要的固定輸出，降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器將用到兩種運(yùn)行模式。

應(yīng)用情況隨細(xì)分市場(chǎng)不同而有所變化

除消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品以外，視應(yīng)用的不同而不同，輸入和輸出電壓范圍可能變化很大。例如，在汽車(chē)環(huán)境中，12V 汽車(chē)電池是所有電子設(shè)備的主電源。然而，在冷車(chē)發(fā)動(dòng)時(shí)，標(biāo)稱(chēng) 12V 可能驟降至 3V，或者在拋載情況下，突升至將近 40V (受瞬態(tài)電壓抑制器限制)。在工業(yè)應(yīng)用中，標(biāo)準(zhǔn)電源總線電壓為 24V 或 12V，而且常常遇到電壓更高、持續(xù)時(shí)間從幾微秒到數(shù)百毫秒的電源尖峰。在這些系統(tǒng)中，電子設(shè)備不僅必須承受瞬態(tài)電壓尖峰，而且在很多情況下，還必須在發(fā)生瞬態(tài)事件時(shí)，自始至終可靠運(yùn)行。工業(yè)和軍用 / 航空航天系統(tǒng)需要很寬的工作溫度范圍以及可靠地為必要的下游電子設(shè)備供電，甚至在嚴(yán)苛的輸入電壓情況下 (就像汽車(chē)環(huán)境那樣)。此外，航空電子、軍用和航天環(huán)境都有標(biāo)準(zhǔn)電源軌，但還可能用各種電池配置和太陽(yáng)能電池板運(yùn)行，因此需要能夠應(yīng)對(duì)寬輸入電壓范圍的電源。有些應(yīng)用需要接受很多不同的輸入源，以便任何能源都可自動(dòng)給系統(tǒng)供電。例如，很多軍事應(yīng)用必須接受不同類(lèi)型的電池、適配器甚至太陽(yáng)能電池板，以獲得所需電力。

這些系統(tǒng)需要多個(gè)良好穩(wěn)定的電源軌，較低電壓的電源軌一般由降壓型穩(wěn)壓器或 LDO 供電。不過(guò)，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)定的中到高壓 12V 和 24V 電源軌的需求。視電源總線電壓值或系統(tǒng)配置的不同而不同，這些系統(tǒng)中很多既需要降壓轉(zhuǎn)換又需要升壓轉(zhuǎn)換。降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器 (有些情況下支持太陽(yáng)能供電) 能夠靈活地用各種輸入電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出，從而最大限度減少了設(shè)計(jì)中所需的電源轉(zhuǎn)換器的數(shù)量，并因此簡(jiǎn)化了用料清單。

電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

過(guò)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(guò)使用多個(gè)電源轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的，這類(lèi)設(shè)計(jì)的典型問(wèn)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，轉(zhuǎn)換效率較低?？商娲?fù)?，例?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，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(kāi)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(guò)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)可能引起很大的、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 的很多降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器具輸出斷接功能，這是其 4 開(kāi)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(kāi)時(shí)， VOUT 和 VIN 會(huì)徹底斷開(kāi)，以便 VOUT 能夠安全地放電直至零。

較新但正在成熟的磷酸鋰離子電池化學(xué)組成支持更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間，但是這種電池的放電曲線延長(zhǎng)了，在電池電壓低于 3V 時(shí)還有大量能量可用。這種特性影響了相關(guān)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，使同步降壓-升壓型穩(wěn)壓器必須產(chǎn)生 3V 或更高的輸出，在包括工業(yè)系統(tǒng)在內(nèi)的很多系統(tǒng)中，這種情況很常見(jiàn)。

使用可在非常低的輸入電壓時(shí)運(yùn)行的降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，能夠更好地滿(mǎn)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(guò)，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(hù)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(lèi)問(wèn)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(lái)，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(wèn)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

• 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(mǎn)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(wú)負(fù)載靜態(tài)電流 (參見(jiàn)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(jiàn)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(hù)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(zhuān)有的降壓-升壓型拓?fù)湓谒泄ぷ髂Ｊ较露继峁┑驮肼暋o(wú)抖動(dòng)開(kāi)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(hù)可選的固定輸出電壓：1.8V、3.3V、5V 和 12V，從而無(wú)需電阻器分壓器，就可實(shí)現(xiàn)可調(diào)輸出版本 (參見(jiàn)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之標(biāo)稱(chēng) 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)于必須用 3.3V、5V、電池等低輸入電壓運(yùn)行的 24V 傳感器。

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(guò)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(yáng)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(kāi)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(jiàn)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(mén)限、一個(gè)外部 VCC 輸入和過(guò)熱停機(jī)。該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(lèi)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(wú)線電、低功率傳感器和太陽(yáng)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(lái)自 VIN，另一個(gè)來(lái)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)間周期很長(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(lái)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(guò)驅(qū)動(dòng) RUN 引腳至低電平來(lái)關(guān)閉 LTC3130，從而僅從 24V 輸出吸取 1µA 電流。在很長(zhǎng)的空閑周期，傳感器也與 24V 電源軌斷接，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(lái)：

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(jiàn)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，從而在使用光伏電池板等高阻抗電源時(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 MPPC 電路可使轉(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、同相輸出降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器是一種極度靈活、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，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(lèi)應(yīng)用能夠滿(mǎn)足種類(lèi)繁多、富有挑戰(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(lèi)型的電池、小型太陽(yáng)能電池板和充電電源。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(wèn)題的供電方案。