DC-DC升压电路原理及应用

DC-DC 升压电路原理与应用目前，在手机应用电路中，通常需要通过升压电路来驱动闪光灯模组的LED或 者是显示屏背光的LED，并且通常可以根据不同情况下的需求，调节LED的明暗程 度。一般的LED驱动电路可以分成二种，一种是并联驱动，采用电容型的电荷泵倍 压原理，所有的LED负载是并联连接的形式；另一种是串联驱动，采用电感型 DC-DC 升压转换原理，所有的LED负载是串联连接的形式。这类应用电路中采用的升压器 件有体积小，效率高的优点，而且大多数是采用 SOT23-5L 或者 SOT23-6L 的封装， 外加少量阻容感器件，占用电路板很小的空间。在此，结合具体器件的使用情况， 介绍这两种升压器件的工作原理和应用。电容型的电荷泵倍压原理的介绍以 AnalogicTech 公司的升压器件 AAT3110 为例，介绍电容型的电荷泵升压电路 的工作原理和应用。器件AAT3110采用 SOT23-6L的封装，输出电压4.5V，适 用于常态输出电流不大于100mA,瞬态 峰值电流不大于250mA的并联LED负 载，具体应用电路图，如图1所示。事 先叙述一下有关两倍升压模式电荷泵 的工作原理OAAT3110的工作原理框图， 如图1、2所示，AAT3110使用一个开 关电容电荷泵来升高输入电压，从而得 到一个稳定的输出电压。AAT3110部通 过一个分割电阻网络取样电荷泵输出 电压和部参考电压进行比较，并由此调 节输出电压。当分割电阻网络取样电压 低于部比较器控制的预设点(Trip Point) 时，打开双倍电路开关。电荷泵以两个 不重叠的阶段循环开关四个部开关。在 第一个阶段，开关S1和S4关闭并且 S2和S3打开，使快速电容器CFLY充 电到一个近似等于输入电压VIN的电 压。在第二个阶段，开关S1和S4打开 并且S2和S3关闭。在第一阶段时，快速电容器CFL Y的负极接地。在第二个阶段时，快速电容器CFL Y的负极则连接到了 VINo这样使得快速电容器CFLY正极的电压就升高到了 2*VIN,并且通过一个开关连接到输出。在每一个循环阶段，电荷从 输入节点 VIN 由较低电压转换成较高电压。这个循环自己重复，直到输出节点电压 足够大以超越控制比较器的输入阀值电压。当输出电压超过部预设点标准时，开关 循环停止并且电荷泵回路置于一个空闲状态。在空闲状态时，AAT3110有一个不大 于13“A的静态电流。AAT3110还置一个时钟振荡器当作驱动电荷泵的开关信号， 自由运行的电荷泵开关频率在 750kHz 左右。上述表明 AAT3110 的整个闭环反馈系 统包括了电压感应回路和控制比较器。此外，AAT3110还提供一个外部可调节的平 衡电阻，调节相对应的输出电压和输出负载电流。在实际应用中，设计成有两档平 衡电阻可供调节,具体电路如图3所示。AAT3110驱动四颗并联的LED, SHDN_B为 电源控制脚，控制IC的打开和关闭，STROBE为闪光灯控制脚，控制闪光灯是否闪 烁。R603是LED平衡电阻，R602为峰值电流调节电阻；当STROBE为低电平时，NMOSFET关闭，LED通过R603接地发光，此设计为作手电筒功能时的状态，SHDN_B 为高电平，控制电荷泵工作，输出4.5V的电压，此时通过LED的电流为14mA*4,R 二-%那么由公式汀 I计算，可得知 R603的阻值约为22Q。由于 LED在导通后微 小电压变化会导致电流大幅变化，因此除了平衡外也有限流的作用。当STROBE为 高电平时，NMOSFET打开，此时电流通过R602构成回路，每个LED 瞬时脉冲电流 50mA,进入高亮度的闪光状态，供拍照时使用，这种状态不能长时间保持，大概在 200ms左右，应当关闭NMOSFET。2C+2GM)0608c-图3YRAIQ600NMOSf I IC3I2 厂-zu ,rC_COL_1C COLSHDN BR602卜卜卜LEE1 p U600 AAT311QC_O)L_2V601180Htc610电荷泵效率n可以简单的表示成一个线性稳压管，它有一个高效的电压输出可以达到输入电压的两倍。效率n在理想的双倍电压下可以典型的表示成输出功率除 以输入功率：厂l。另外，在一个理想的双倍电压电荷泵中，输出电流可以被表 示 为 输 入 电 流 的 一 半 。 效 率 n 公 式 可 以 被 写 成Pv X (our= Sltt xSurr = Sut 刊b = iQQZO个输出4.5 V实际输入2.8 的电荷PV xoTov1 IN TN A 1 GUT- IN泵，理论上的效率是80.4%。由于部开关损耗和IC静止电流损耗，实际的效率，通 过试验测量可以达到79.6%。这个数据在个大围的输出负载条件下都可以得到认 可。但效率会因为负载电流下降到0.05mA以下或者当VIN逼近VOUT的时候而减少。器件外部电容的选择也是一个关键的问题，仔细的选择三个外部电容CIN, COUT 和CFLY是非常重要的，因为它们将影响开启时间，输出纹波和暂态表现。当CIN, COUT和CFLY使用较低串联等效阻抗(ESR 100m Q)的瓷电容时将会获得最适宜的性能。通常，低ESR电容定义为ESR值低于100m Q的电容。如果需要一个特殊的 应用,低 ESR 钽电容可以作为替代,然而不定会达到最好的纹波输出。由于 AAT3110 固有的高 ESR 特性而不推荐使用铝电解电容。般在个开始点,当 AAT3110使用在最大输出负载条件下,CIN和COUT电容值可以选择10“F, CFLY为 1F。在较轻负载应用时，CIN, COUT和CFLY可以使用较低的值。因此，CIN和COUT 的围可以是从轻负载的1仇F到重负载的10 “ F。CFLY可以从0.01“F到2.2“ F或者 更多。如果CFLY增加，COUT将要以相同比率增加来减少纹波输出。一个基本的规 则就是，建议CIN, COUT和CFLY之间的比例近似为10:1降低CIN, COUT和CFLY 值的后果就是输出纹波的增加。总而言之，如果外部电容值严重偏离了 CIN = COUT =10“F 和 CFLY = 1“F这个级数值，那么AAT3110的输出性能将无法保证。顺带叙述一下电容器的特性。在所有种类的电容器中，强烈推荐瓷合成物电容 器结合AAT3110使用。瓷电容器相对于相同容值的钽电容和铝电解电容有许多优点。 瓷电容器一般都有非常低的ESR值，低成本，拥有一个小PCB封装并且没有极性。 低ESR 将最大可能的帮助电荷泵减小暂态响应。因为瓷电容器没有极性，所以它们 不会导致连接损坏。ESR值是一个选择电容器时的重要指标。瓷电容器ESR的典型 值一般在几个mQ到数十mQ这个级数，在钽电容或者铝电解电容中ESR的典型 值可以达到数百mQ甚至几欧姆。ESR 是电容器固有的一个部阻抗，主要取决于电容器尺寸和面积，电容器的化 合材料以及周围温度。瓷电容器材料的应用情况：低于0.1“ F的瓷电容器通常材料 是NPO和COG。NPO和COG材料通常拥有精确的公差并且受温度影响不大。大电 容值通常使用 X7R、X5R、Z5U 或者 Y5V 绝缘体材料。大的瓷电容器，一般指电容 值大于2.2“F，通常可以使用低成本Y5V和Z5U绝缘体，但是大电容器不属于 AAT3110应用围。电容器面积是另外一个导致ESR的问题，相比同样材料的一些电 容器，大尺寸的电容器将会有低ESR值。相比较小封装的等值电容器来说，这些较 大器件可以改善回路暂态响应，但是将给缩小空间带来更大的压力，设计中可以综 合考虑，选择合适的一个折衷值。如何减少输出纹波？电荷泵输出纹波的振幅和频率是由许多因素决定的，如电 容COUT 和 CFLY的值，负载电流IOUT和输入电压VIN的级别。就VIN来说，加大 VIN 可以增加电荷泵从输入到输出端传递电荷的能力。但是，输出纹波的峰峰值也 会增加。COUT和CFLY的值和类型都对输出纹波有影响。因为输出纹波与电容的R/C 充电时间常数相关联，电容值和ESR值都将会对电荷泵输出纹波有作用。这就是为 何推荐在电荷泵应用中使用低ESR电容的原因。试验数据表明，输出纹波在VIN = 3.0 V，VOUT = 5.0 V，COUT = 10“ F 和 CFLY = 1 “ F 时不会大于 30mVP-P。当AAT3110在IOUT+=1J接IEDXZ图8 可修编-通过上述分析，为了调整LED的亮度，可以改变信号S6的占空比，从而改变 输出电压来达到改变LED的亮度；也可以改变外部反馈电阻 R1,从而改变输出电流 来达到改变LED的亮度。但在实际应用中，往往是在器件IC的开关使能管脚EN(CE) 上加一个PWM 波，通过改变这个PWM 波的占空比来调整LED的亮度。这个PWM 波信号可以通过选择Trident的一个PWM输出可编程外部接口来给以，应用上通过 对相关寄存器的编程，方便更改输出 PWM 波的占空比。具体项目中的试验数据表 明，在LED高等亮度情况下，PWM波输出信号占空比为100% ;中等亮度情况下的 占空比为50% ;低等亮度情况下的占空比为33%。值得注意的是，此PW M信号和 芯片部控制MOS管开关的PWM信号是不同的两个信号。从功能上看，前者是控制 整个背光IC的使能信号，后者是背光IC工作时充放电的控制信号。从频率上看， 前者一般是200Hz到1KHz,后者则可以高达几百KHz到1MHz不等(MP1518是 1.3MHz)。由于串联型驱动电路的开关管工作在高频通断状态，高频的快速瞬变过程是一 个干扰源，这种高速的开关信号产生的谐波电平，对于其他电子设备来说就是 EMI 信号，这些谐波电平可以从对电源线的传导干扰(频率围为0.1530MHz )和电场 辐射干扰(频率围为30 1000MHz )的测量中反映出来。因此，在手机的结构设计， 工程师需要考虑，尽量不要让天线靠近驱动电路，避免影响手机的灵敏度。同时， 在电路板的布局上，尽量减小所有到SW连线的长度和面积，使SW管脚的电压有 较陡峭的上升沿和下降沿，以减缓EMI的干扰；并采用同一个接地平面，使得平面 间的耦合最小化；反馈电阻R1的接地连接应采取与GND引脚直接相连的方法，而 不能和其他元件共用接地端，以保证干净、无噪声的连接。小结：电荷泵解决方案的主要优点，电荷泵升压电路的设计比较简单，选择元 件时通常只需根据元件规格从中挑选适当的电容，其产生的干扰相对比较不明显； 主要缺点，只能提供有限的输出电压围，绝大多数电荷泵 IC 的电压转换最多只能达 到输入电压的两倍，这表示输出电压不可能高于输入电压的两倍，因此若想利用电 荷泵驱动一个以上的白光LED,就必须采用并联驱动的方式。并且其效率相对较差。 电感式解决方案的主要优点，效率高，输出电压可随着串联负载而变化，能够输出 较高的电压；主要缺点，电路中需要电感，增加电路的复杂性，并且比较容易产生 干扰。