如何使用低壓差穩(wěn)壓器提高降壓轉(zhuǎn)換器的輕載效率

設(shè)計一個僅在空載時消耗微安電流的DC/DC轉(zhuǎn)換器可以比作為更輕盈的液體加油的肌肉車 - 你可以讓它工作，但這并不容易。在大多數(shù)現(xiàn)代DC/DC轉(zhuǎn)換器中，滿載電流的高效率是常見的;然而，當(dāng)負(fù)載被禁用或斷開時實現(xiàn)高效率仍然是一項困難和/或昂貴的任務(wù)。

許多汽車和工業(yè)應(yīng)用需要從主電源到電源的高效12 V或24 V降壓功率轉(zhuǎn)換。滿載時的負(fù)載點(POL)電壓，但在器件處于空閑或關(guān)閉狀態(tài)時也需要非常低的電流消耗。為了實現(xiàn)如此低的電流，您可以輕松地使用低壓差穩(wěn)壓器(LDO)與降壓轉(zhuǎn)換器并聯(lián)，以在系統(tǒng)進入輕載/空載狀態(tài)時實現(xiàn)電池的最小電流消耗。

最終，延長系統(tǒng)電池壽命的理想情況是禁用輸入電源中的所有可能設(shè)備。但是，在某些情況下，系統(tǒng)內(nèi)的某些組件仍然需要一個子調(diào)節(jié)電壓，以便在關(guān)機狀態(tài)期間與其他系統(tǒng)模塊通信(即汽車應(yīng)用中的CAN總線收發(fā)器)。不專門設(shè)計用于輕載效率的DC/DC轉(zhuǎn)換器可以在無負(fù)載的情況下消耗幾毫安。此外，具有高輕載效率的轉(zhuǎn)換器將采用頻率折返方案和非連續(xù)模式操作，從而導(dǎo)致噪聲輸出電壓和過多的EMI輻射。 LDO非常適合輕負(fù)載情況，因為它們可以設(shè)計為在保持低噪聲輸出電壓的同時消耗非常低的電流。進入輸入的空載電流(也稱為“接地電流”)可以是幾微安或更低的量級。因此，將轉(zhuǎn)換器和LDO的性能結(jié)合起來，具有明顯的優(yōu)勢。

如果設(shè)計人員能夠在負(fù)載為負(fù)載時禁用DC/DC轉(zhuǎn)換器，則可以采用并行使用這兩種方法的簡單方法。最小，即對用于負(fù)載的轉(zhuǎn)換器使用相同的啟用/禁用信號。圖1中可以看到一個例子。

圖1：與LDO并聯(lián)的DC/DC轉(zhuǎn)換器的框圖(由德州儀器提供)圖2給出了低IQ LDO效率曲線的一般示例，該效率曲線用DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率曲線繪制，用于更高的電壓轉(zhuǎn)換(即12 V至1 V)。在輕負(fù)載時，LDO更有效。如果系統(tǒng)在輕負(fù)載下花費大量時間，使用LDO來調(diào)節(jié)電壓可以顯著提高系統(tǒng)總效率。

圖2 ：低IQ效率曲線的一般示例(由德州儀器提供)。

實現(xiàn)圖1中的電路要求將轉(zhuǎn)換器輸出設(shè)置為高于最大LDO輸出電壓的電壓。在正常操作中，當(dāng)轉(zhuǎn)換器使能時，轉(zhuǎn)換器將調(diào)節(jié)輸出電壓并向負(fù)載提供電流。大多數(shù)LDO無法吸收電流，依靠來自通過器件的負(fù)載電流來調(diào)節(jié)輸出。將LDO的輸出電壓拉高到其標(biāo)稱電壓以上將迫使LDO進入未調(diào)節(jié)狀態(tài)，此時電流不會從輸入流出輸出，DC/DC轉(zhuǎn)換器將有效地運行，就像LDO沒有連接一樣。

一旦DC/DC轉(zhuǎn)換器被禁用，它將停止開關(guān)，輸出電壓將降低，直到LDO開始規(guī)范產(chǎn)出。再次使能時，DC/DC轉(zhuǎn)換器將以預(yù)偏置狀態(tài)啟動(啟動期間輸出上存在的正電壓稱為“預(yù)偏置”)。轉(zhuǎn)換器將開始其啟動過程，而不會從電路中吸收任何電流。輸出節(jié)點，最終將輸出電壓拉高到標(biāo)稱LDO電壓以上，并重新控制輸出。

考慮使用1400 mAh電池計算簡單的電池保存期限示例。假設(shè)電池完全充電后設(shè)備處于待機狀態(tài)，并且連接的電源是無負(fù)載時靜態(tài)電流為10μA的LDO或無負(fù)載時靜態(tài)電流為200μA的DC/DC轉(zhuǎn)換器。

電池容量

使用DC/DC轉(zhuǎn)換器的電池保質(zhì)期(完全初始充電)使用LDO的電池保質(zhì)期(完全初始充電)

1400 mAh

1400/0.2 = 7000小時

7000/24 = 291.7天

1400/0.01 = 140000小時

140000/24 = 5833.3天

電池壽命可延長20倍。

現(xiàn)在討論將轉(zhuǎn)向如何使用TI器件實現(xiàn)該電路。[!--empirenews.page--]

圖3中的電路顯示了LDO與DC/DC并聯(lián)的效率提升示例轉(zhuǎn)換器。

圖3：TPS709與TPS54331并聯(lián)(由德州儀器公司提供)。

選擇的LDO是TPS709 ，具有30 V輸入范圍，標(biāo)稱接地電流僅為1μA。 DC/DC轉(zhuǎn)換器是TPS54331，根據(jù)其輸入電壓范圍和高效率進行選擇。與大多數(shù)類似的DC/DC轉(zhuǎn)換器相比，TPS54331在輕負(fù)載時已經(jīng)表現(xiàn)出高效率。然而，在110μA(典型值)非開關(guān)靜態(tài)電流時，轉(zhuǎn)換器的空載電流幾乎是TPS709在空載(1.3μA)時的接地電流的100倍，即使在開關(guān)損耗和反饋電阻負(fù)載之前也是如此圖4顯示了TPS709和TPS54331之間的效率測量差異。圖4顯示了TPS709和TPS54331之間的效率測量差異。當(dāng)TPS54331使能時，測量配置為VIN = 12 V，VOUT = 3.46 V，當(dāng)TPS54331禁用時，VOUT = 3.3 V.

圖4：實現(xiàn)電路的效率，啟用和禁用TPS54331(由德州儀器公司提供)。

盡可能請注意，從10μA負(fù)載電流到10 mA，TPS709的效率將保持大致恒定在27%(VOUT/VIN)。當(dāng)TPS54331使能時，由于空載輸入電流，它將以非常低的效率啟動，但很快就會升高，在較高的負(fù)載電流下達到90%以上。當(dāng)TPS54331使能時，TPS709不提供任何負(fù)載電流，因此可以忽略其接地電流。由此可以清楚地看出，當(dāng)輸出負(fù)載電流為350μA或更低時禁用TPS54331將是有益的。

如果負(fù)載電路在啟用時具有高電流壓擺率，則可能需要將使能電路延遲到負(fù)載，以便在負(fù)載需要來自VOUT的電流之前，DC/DC轉(zhuǎn)換器有足夠的時間被啟用。這可以通過RC延遲輕松完成，但是，應(yīng)注意在DC/DC關(guān)閉后負(fù)載不會保持開啟狀態(tài)。與電阻器并聯(lián)的二極管可以實現(xiàn)這一點。圖5顯示了該電路的一個示例。

如何使用低壓差穩(wěn)壓器提高降壓轉(zhuǎn)換器的輕載效率圖5：TPS709與TPS54331并聯(lián)，具有負(fù)載使能延遲(由德州儀器公司提供)。

圖6顯示了系統(tǒng)的系統(tǒng)響應(yīng)時間范圍鏡頭，以及啟用信號使電路進入1 A負(fù)載。

如何使用低壓差穩(wěn)壓器提高降壓轉(zhuǎn)換器的輕載效率圖6：啟動和啟用/禁用圖3中的電路。