在便攜和可穿戴設備等電池供電的低電壓應用中 常有一些功能需要較高的電壓纔能工作 DC-DC升壓穩壓器外圍元器件的選擇與優化！ - 趣味新聞網

在便攜和可穿戴設備等電池供電的低電壓應用中，常有一些功能需要較高的電壓纔能工作，例如射頻收發器、精密模擬電路、白光LED背光驅動、雪崩光電二極管(APD)的偏置電路等。這就需要采用DC-DC升壓轉換器來嚮上轉換到所需的電壓，讓設備既節能又高效的工作。

升壓穩壓器特點

為滿足低壓應用中的某些特定的較高電壓需求，升壓DC-DC穩壓器將低輸入電壓轉換為高輸齣電壓，典型電路組成包括：電感器、功率MOSFET、整流二極管、控製IC、輸入和輸齣電容器。

圖 1：基本升壓穩壓器配置

常見的改進型配置一般使用兩個MOSFET，第二個MOSFET替換整流二極管，在電源開關關閉時打開。MOSFET具有較低的電壓降，這大幅減少瞭功耗，同時提高瞭穩壓器的效率。

此外，有些穩壓器還帶有保護功能，針對超溫、輸齣短路、開路負載條件和輸入過流等情況提供保護。

外圍元器件選擇

轉換效率是衡量DC-DC升壓電路的重要指標，而造成功耗損失的主要是電感的寄生串聯電阻（ESR）、肖特基二極管的正嚮導通壓降、功率管的導通電阻以及開關損耗這四個方麵。

當然，芯片本身也有靜態功耗，這在低負載情況下會影響轉換效率，因此要求芯片內部的功率管導通電阻也需非常小。同時，芯片內部要設計閤適的驅動電路，保證功率管開關沿很陡，以減小開關時的功耗。

電感和肖特基二極管選擇的不同會影響轉換效率，電容和電感選擇的不同會影響輸齣的紋波。選擇閤適的電感、電容、肖特基二極管，可以獲得高轉換效率、低紋波、低噪聲。

1、電感選擇

電感器是升壓轉換器的一個關鍵元件：能在電源開關接通期間存儲能量，並在關斷期間將存儲的能量通過輸齣整流二極管傳輸至輸齣。

設計人員必須在低電感器電流紋波與高效率之間達到平衡。對於給定的物理尺寸，電感較低的電感器會擁有較高的飽和電流和較低的串聯電阻，但較低電感會導緻更高的峰值電流，進而使能效降低，紋波增大和噪聲提高。

電感器的電感值與最小電感值Lmin、電流紋波等有關。計算具體電感值時，須留意占空比（D）參數，具體大小為：D = (Vout-Vin)/Vout。

第一，要保證使DC-DC升壓能夠在連續電流模式下正常工作所需要的最小電感值Lmin。

該公式是在連續電流模式下，忽略其他諸如寄生電阻、二極管的導通壓降的情況下導齣的，實際的值還要大一些。如果電感取值小於Lmin，電感可能會發生磁性飽和，造成DC-DC電路的效率大大下降，甚至不能正常輸齣穩定電壓。

第二，考慮到通過電感的電流紋波問題，同樣在連續電流模式下忽略寄生參數，

當L過小時，會造成電感上的電流紋波過大，造成通過電感、肖特基二極管和芯片中的功率管的最大電流過大。由於功率管並不是理想的，所以在特彆大的電流時功率管上的功率損耗會加大，導緻整個DC-DC電路的轉換效率降低。

第三，一般來說，不考慮效率問題時，小電感可以帶動的負載能力強於大電感。但是由於在相同負載條件下，大電感的電流紋波和最大電流值小，所以大電感可以使得電路在更低的輸入電壓下啓動（以上均是在相同的寄生電阻條件下推導齣的結論）。

為瞭減小外接電感尺寸，可提高工作頻率。例如350KHz工作頻率，隻需要3.3uH以上的電感就可以保證正常工作，但是如果輸齣端需要輸齣大電流（例如：輸齣電流大於50mA），為瞭提高工作效率，建議使用較大電感。

在大負載情況下，電感的串聯電阻會極大地影響轉換效率，假設電感的電阻為rL，負載電阻為Rload，那麼在電感的功率損耗大緻如下式計算：

綜閤考慮，建議使用27uH、

2、輸齣電容選擇

輸齣電容器可減少負載紋波，幫助在負載瞬態期間提供穩定的輸齣電壓。當考慮電容的ESR時，輸齣電壓的紋波為：

為瞭減小輸齣的紋波，需要比較大的輸齣電容值。但是輸齣電容過大，就會使得係統的反應時間過慢，所以建議使用100uF電容。如果需要更小的紋波，則需要更大的電容。

當輸齣連接大負載的時候，ESR造成的紋波將成為最主要的因素，同時ESR又會增加效率損耗，降低轉換效率。所以建議使用ESR低的鉭電容，或者多個或X7R陶瓷電容器並聯使用。其他類型的電容器可能具有較高的ESR，會降低轉換器效率。

3、二極管

用於整流二極管對DC-DC效率影響很大，雖然普通的二極管也能夠使得DC-DC電路工作正常，但是會降低5~10%的效率，所以建議使用正嚮導通電壓低、反應時間短的肖特基二極管，例如1N5817、1N5819、1N5821、1N5822等。

具體參數上，二極管的平均正嚮額定電流必須等於或高於最大輸齣電流，重復峰值正嚮額定電流必須等於或高於電感器峰值電流，反嚮擊穿電壓必須高於內部電源開關額定電壓。

例如，MCP1665帶有36V的內部開關，能夠提供高達1A的電流。因此，Microchip建議使用STMicroelectronics供應的STPS2L40VU肖特基二極管，該器件的反嚮擊穿電壓為40V，正嚮電流為2A。

4、輸入電容

如果輸入電源穩定，即使沒有輸入濾波電容，DC-DC電路也可以輸齣低紋波、低噪聲的電流電壓。但是當電源離DC-DC電路較遠，建議在DC-DC的輸入端加上10uF以上的濾波電容，用於減小輸齣的噪聲。

DC-DC升壓穩壓器具有高速開關特徵，對PCB布局非常敏感：寄生電感和電容可能導緻高輸齣紋波、輸齣穩壓效果不佳、電磁乾擾 (EMI) 過大，甚至因高電壓尖峰而導緻故障。

因此，外圍元件應靠近IC芯片，接地節點應靠近IC電源接地引腳，以最大程度減小迴路麵積，電源接地、信號接地和導熱墊也應該在單個低阻抗接地點連接在一起。

文章來源 | 麵包闆社區 作者硬之城Allchips

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