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[导读]升压与降压一般是指电源电路的工作模式,有些电源IC可以同时支持升压和降压模式。

所周知,升压芯片在诸多电子电路中均有所应用,在现代生活中,升压芯片是不可或缺的器件之一。对于升压芯片,想必大家均具备一定了解。在本文中,将主要为大家讲解一下升压芯片的原理和一些常见的升压和降压电路分析.

升压与降压一般是指电源电路的工作模式,有些电源IC可以同时支持升压和降压模式。

降压模式——Bustmode,这个大家比较熟悉的,用的也比较多,比如5V-3.3V稳压,对应的芯片很多大家上网搜一下就有了,有LDO模式和DC-DC模式的。其中LDO模式的芯片外围电路较简单,只需在输入和输出端加上滤波电容即可。而DC-DC模式的芯片电路相对较复杂一点,但是效率较高。一般需要外接电容和电感,通过闭合开关对电感进行充电,断开开关之后,电感作为一个电源进行放电,可以通过PWM的占空比来调节输出电压值,电压值最大不会超过电源电压。对于DC-DC降压模式的基本电路如下图所示:

升压模式——Boostmode,这个也很常见,也是DC-DC的一种。当整个电路只使用单个电源(比如3.7V锂电池)供电时,可以通过降压输出3.3V、1.6V等较低电压给IC供电,有时候电路中需要更高的电压,比如一些移动设备的屏幕就需要较高电压驱动,比如12V,在移动设备中再增加一个12的独立电源不太现实,而且锂电池一般都是3.7V(充满电为4.2V),这个时候就需要使用到升压电路了,这个也有对应的IC,一般要配合电感、电容实现升压和降压模式中DC-DC的连接方式不一样。通过闭合开关给电感充能,断开开关则电感的电动势和电源串联,提高电压。可以通过PWM的占空比来调节输出电压,当占空比为50%时,输出电压为输入电压的2倍。升压的基本电路如下图所示:

升压降压芯片电路

做实验项目时常常会遇到只有一种电压的电源却需要另一种电压的电源的情况,于是就有了电压转化的需求,除去buck-boost电路,也有很多常用的芯片可以供大家转换电压。

12转5v时常用7805,转-5v时候会用7905。有关电路可以直接搜索芯片的datasheet查看,也可以看下面的截图。

DC/DC电源指的是直流转直流的电路,有升压降压两种电路,按理来说,LDO也是DCDC电源,但行业内只认为以开关形式实现的电源为DC/DC电源。

一,DC/DC基本拓扑

Buck、Boost型

电感电压伏秒平衡定律

一个功率变换器,当输入、负载和控制均为固定值时的工作状态,在开关电源中,被称为稳态。稳态下,功率变换器中的电感满足电感电压伏秒平衡定律:对于已工作在稳态的DC/DC功率变换器,有源开关导通时加在功率电感上的正向伏秒一定等于有源开关截至时加在该电感上的反向伏秒。

1. BUCK降压型

BUCK电路原理和信号转变过程

当PWM驱动高电平使得NMOS管S1导通,忽略MOS管的导通压降,电感电流呈线性上升,此时电感正向伏秒为:V*Ton=(Vin-Vo)*Ton

当PWM驱动低电平使得NMOS管S1截至时,电感电流不能突变,经过续流二极管形成回路(忽略二极管压降),给输出负载供电,此时电感电流下降,此时电感反向伏秒为:V*Toff=Vo*(Ts-Ton)

根据电感电压伏秒平衡定律可得:(Vin-Vo)*Ton=Vo*(Ts-Ton)

即 Vo=D*Vin (D为占空比)

2.BOOST升压型

和BUCK电路类似的分析方法,当MOS管导通时,电感的正向伏秒为:Vin*Ton;当MOS管截至时,电感的反向伏秒为:(Vo- Vin)*(Ts-Ton)

根据电感电压伏秒平衡定律可得:Vin*Ton=(Vo- Vin)*(Ts-Ton)

即 Vo=Vin/(1-D)

仿真Vout升压过程

3.同步整流技术

由于二极管导通时至少存在0.3V的压降,因此续流二极管D所消耗的功率将会称为DC/DC电源主要功耗,从而严重限制了效率的提高。为解决该问题,以导通电阻极小的MOS管取代续流二极管。然后通过控制器同时控制开关管和同步整流管,要保证两个MOS管不能同时导通,负责将会发生短路。

二、DC/DC电源调制方式

DC/DC电源属于斩波类型,即按照一定的调制方式,不断地导通和关断高速开关,通过控制开关通断的占空比,可以实现直流电源电平的转换。DC/DC电源的调制方式有三种:PWM方式、PFM方式、PWM与PFM的混合方式。

1.PWM(脉冲宽度调制)

PWM采用恒定的开关频率,通过调节脉冲宽度(占空比)的方法来实现稳定电源电压的输出。在PWM调制方式下,开关频率恒定,即不存在长时间被关断的情况。

优点:噪声低、效率高,对负载的变化响应速度快,且支持连续供电的工作模式。

缺点:轻负载时效率较低,且电路工作不稳定,在设计上需要提供假负载。

2.PFM(脉冲频率调制)

PFM通过调节开关频率以实现稳定的电源电压的输出。PFM工作时,在输出电压超过上阈值电压后,其输出将关断,直到输出电压跌落到低于下阈值电压时,才重新开始工作。

优点:功耗较低,轻负载时,效率高且无需提供假负载。

缺点:对负载变化响应较慢,输出电压的噪声和纹波相对较大,不适合工作于连续供电方式。

三、DC/DC芯片的内部构造

接下来我们来看看DC/DC电源芯片内部的单元模块,并且给大家看看基本拓扑与电源芯片的联系。

一款电源背光IC的内部原理框图

1.Vref&Error Amp基准电压与误差放大器

误差放大器的作用就是将反馈电压(FB引脚电压)与基准电压(200mv)的差值进行放大,然后再用该信号去控制PWM输出信号的占空比。

2.Thermal Shutdown 温度保护:当温度高于限定值,芯片停止工作。

3.soft start软启动电路:用于电源启动时,减小浪涌电流,使输出电压缓慢上升,减小对输入电源的影响。

四、DC/DC电路的硬件设计参数选择标准

1.设置输出电压:先选择合适的R2,R2过小会导致静态电流过大,从而导致加大损耗;R2太大会导致静态电流过小,而导致FB引脚的反馈电压对噪声敏感,一般在数据手册中有推荐值范围参考。选定R2,根据输出电压计算R1的值,R1=((Vout-Vref)/Vref)*R2。电压选定以后,开关电源会自动调节占比总,取得我们想要的电压。

2.电感:电感的选择要满足直到输出最小规定电流时,电感电流也保持连续。在电感选取过程中需要综合输出电流、纹波、体积等多个因素进行考虑。较大的电感将导致较小的纹波电流,从而导致较低的纹波电压,但是电感越大,将具有更大的物理占用面积,更高的串联电阻和更低的饱和电流。电感感值越小,开关电源PWM信号的频率就越高,一般开关电源很少有好过10MHz的开关频率,大部分在100K~1MHz之间,所需要的功率电感值在2.2uH~22uH之间。

3.输出电容:输出电容的选择主要是根据设计中所需要的输出纹波的要求来进行选取。电容产生的纹波:相对很小,可以忽略不计;电容等效电感产生的纹波:在300KHz~500KHz以下,可以忽略不计;电容等效电阻产生的纹波:与ESR和流过电容电流成正比,该电流纹波主要是和开关管的开关频率有关,基本为开关频率的n次谐波,为了减少纹波,让ESR尽量小。需要在开关电源输出端增加pF级电容,减少百兆级噪声的干扰。

boost升压斩波的原理图啦,现在讲讲它的工作原理,(学过电力电子的朋友请跳过哦,都是那点东西,没啥好说的,哈哈哈哈哈)

原理:三极管导通时Vin(也就是电池)给电感L充电,也就是储能哈,这个时候注意电感上的电流是向右流的哦,这个很关键,学过电路的小伙伴应该都知道电感和电容有储能的能力,因为这是第一个周期,电容是没有电的哦。

在三极管截止时,因为电感上的电流是不会突变的啦,所以还是从左向右流,而且电池也是这个方向呀,所以所以,它两看着像个啥,这不就变成两电池串联了嘛,这样电压不就比一个电池高了?这样就可以给负载供电了呀。

接下来三极管再次导通,刚刚被掏空的电感这下又要电池去给它充电,那那那负载不就断开啦?那可没有,还有电容老哥苦苦撑着的嘛,只要电容老哥够大,还有刚刚给它的能量足够多,它就能撑住这一刻的电压,而且这个时候因为有二极管的存在,两边是基本不影响的哦。

就这样一直循环循环下去,就能输出这个电压呀。

当然啦,原理是这个,但实际电路中都不用一般的三极管呀,毕竟普通的三极管还是需要外界提供给它一个开断信号的嘛,而且还需要一些反馈信号之类的作为平衡输出电压的源头,所以我们要挑选一颗集成的芯片啦,反正普通的芯片供电对其功率要求又不高,能有一两瓦都谢天谢地啦,挑去挑来就这个吧,南京微盟的ME2188C50M5G(立创商城编号:C236768),支持国产嘛,当然,小伙伴们也可以用其他的啦,大同小异。

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