從升壓轉(zhuǎn)換器獲得更長的電池壽命

ADP1612是一款低成本、高效率的升壓轉(zhuǎn)換器，工作頻率為 1.3 MHz，非常適合需要體積小巧的消費電子電路。它有一個關(guān)斷引腳，可將靜態(tài)電流降至 2 μA 以下，并在低至 1.8 V 的輸入電壓下工作，非常適合電池供電的電子設(shè)備。但是，隨著電池電壓的下降，其峰值電流也會下降。如果電池需要在最后幾個小時輕輕地處理，這可能是一個好處，但也可能導(dǎo)致在電池輸入低的情況下驅(qū)動重負載時出現(xiàn)問題。自舉克服了這個問題，并以高效率提供高輸出電流，同時允許電池電壓降至低得多的水平。

從升壓轉(zhuǎn)換器獲得更長的電池壽命

圖 1 顯示了 ADP1612 的標(biāo)準(zhǔn)評估套件。添加了一個與電池輸入串聯(lián)的 200mΩ 電流檢測電阻，以測量輸入電流。在電路的電池輸入端添加了一個大電解電容器，以平滑電感器的電流峰值，從而可以通過檢測電阻器以高精度測量平均電池電流。電池電壓是用數(shù)字電壓表測量的，因此，可以通過將電池電壓乘以輸入電流來計算輸入功率。將阻性負載添加到輸出中，通過將輸出功率除以輸入功率來計算轉(zhuǎn)換器的效率。

圖 1：ADP1612 評估套件

探測開關(guān)節(jié)點可以告訴我們很多關(guān)于 DC-DC 轉(zhuǎn)換器如何工作的信息。當(dāng) FET 導(dǎo)通時，電感電流上升，導(dǎo)致開關(guān)節(jié)點電壓的底部與 FET 的導(dǎo)通電阻成比例上升。該電壓越低，F(xiàn)ET 的導(dǎo)通電阻越低，因此對于給定電流，F(xiàn)ET 中的損耗越低。圖 2 顯示了非自舉配置中的開關(guān)節(jié)點，電池電壓為 2V。開關(guān)節(jié)點電壓的底部顯示出大約 180 mV 的峰值。

圖 2：開關(guān)節(jié)點電壓，2V 輸入，非自舉

將電池電壓增加到 3 V 會得到圖 3 所示的開關(guān)節(jié)點波形。在這里，我們注意到由于電池電壓較高，占空比下降了，而且開關(guān)節(jié)點電壓的低部分明顯處于低電平，峰值約為 80 mV。但是，由于 3V 電池電壓的 FET 電流低于 2V 電池電壓的 FET 電流，因此很難看出導(dǎo)通電阻是否確實降低了。

圖 3：開關(guān)節(jié)點電壓，3V 輸入，非自舉

然后將圖 1 中的電路轉(zhuǎn)換為自舉配置。自舉涉及將ADP1612的 V IN引腳連接到輸出電壓。器件啟動后，它由較高的輸出電壓供電，因此對 FET 產(chǎn)生較高的驅(qū)動，而 ADP1612 不知道電池電壓電平。修改后的電路如圖 4 所示。

圖 4：從輸出電壓引導(dǎo) V IN引腳

使能引腳可以連接到電池電壓 V BATT或輸出電壓。如果電池電壓低于約 1.7 V，則將其連接至電池電壓會觸發(fā)欠壓鎖定 (UVLO)，而將其連接至輸出電壓則允許 ADP1612 即使在電池電壓降至遠低于這個。

圖 5 顯示了非自舉配置和自舉配置的效率結(jié)果，電池電壓為 2 V，測得的輸出電壓為 4.95 V。

圖 5：非自舉和自舉 (b/s) 配置中 2V 輸入的 ADP1612 的效率

自舉配置的效率曲線由圖 5 中的實線表示，并且在輕負載時明顯較低。這主要是因為器件的靜態(tài)電流（約 4 mA）現(xiàn)在來自輸出電壓，并有效地乘以因數(shù)

我們還可以看到，由于較高的 FET 驅(qū)動，當(dāng)在低電池電壓下運行時，自舉電路開始為重負載電流（約 260 mA 以上）提供效率改進。

圖 6 和圖 7 顯示了自舉模式下開關(guān)節(jié)點電壓的底部。需要注意的是，自舉只會影響控制器 IC 的電源電壓。它不影響電源路徑（電感器和輸出二極管）。因此，我們可以直接比較 2V 自舉和非自舉開關(guān)節(jié)點電壓（圖 6 和圖 2）以及 3V 自舉和非自舉開關(guān)節(jié)點電壓（圖 7 和圖 3） .

圖 6：開關(guān)節(jié)點電壓，2V 輸入，自舉

使用低電池電壓進行自舉具有明顯的優(yōu)勢。使用 2V 電池電壓時，非自舉開關(guān)節(jié)點電壓峰值為 180mV，而自舉電路僅為 100mV，表明 FET 導(dǎo)通電阻較低，因此損耗較低。電池電壓為 3 V 的自舉電路似乎幾乎沒有改進（如果有的話），兩個開關(guān)節(jié)點波形的峰值約為 80 mV。

圖 7：開關(guān)節(jié)點電壓，3V 輸入，自舉

你能走多低？

另一個有用的實驗是查看在輸出電壓開始失去調(diào)節(jié)之前可以將電池電壓降到多低。圖 8 顯示了自舉模式和非自舉模式之間的比較。

在非自舉電路中，我們看到 UVLO 電路在電池電壓低于約 1.7 V 時激活，如藍色曲線所示。相比之下，圖 4 中的自舉電路將啟用和 V IN引腳都連接到輸出電壓 (5 V)，從而消除了 UVLO 并允許電路運行到低得多的電壓。但是，該電路無法從任何地方產(chǎn)生電力。ADP1612具有峰值電流限制；因此，負載電流越高，電池電壓就需要越高，才能為固定峰值開關(guān)電流提供負載電流。因此，隨著負載電流的增加，圖 8 的紅色曲線幾乎呈線性增加。

最小工作電壓由轉(zhuǎn)換器的最大占空比決定，約為 90%。從方程

5V 輸出和 90% 的最大占空比決定了 0.5V 的最小電池電壓，這與圖中顯示的結(jié)果一致。

圖 8：負載電流與最小輸入電壓

其他優(yōu)點和缺點

自舉配置也會對電路的啟動電壓產(chǎn)生影響?，F(xiàn)在 ADP1612 的 V IN引腳由輸出供電，電池電壓需要比非自舉電路高 1 個肖特基二極管壓降。肖特基二極管上的電壓降隨電流變化，從大約 100 mV（電流為 50 μA 時）到更高電流時的 200 mV 以上。通過實驗發(fā)現(xiàn)，非自舉電路的啟動電壓約為1.75 V（等于UVLO閾值），而自舉電路的啟動電壓升至1.95 V左右。

結(jié)論：你準(zhǔn)備好了嗎？開始工作

Nancy Sinatra 會感到自豪。* 自舉可以應(yīng)用于任何在啟動時不會斷開電池電壓與輸出的升壓轉(zhuǎn)換器。使用具有極低靜態(tài)電流的器件可以減輕輕載效率較低的影響。較高的啟動電壓通常不是問題，因為電路通常不需要在電池沒電的情況下啟動。

如果電路的負載電流在其大部分操作中都很輕或電池電壓很高，那么自舉可能不會給您帶來任何好處。但是，如果負載很重并且電路需要在電池電量耗盡的最后幾分鐘內(nèi)繼續(xù)運行，則值得考慮自舉。

圖 8 令人驚訝的是，非自舉電路可以提供比電池電壓高于 2.2 V 的自舉電路更高的負載電流。這是因為 ADP1612 在自舉模式下的靜態(tài)電流更高，因為它是從輸出電壓運行。此外，ADP1612 的效率低于 100%，因此在給定負載電流下進一步增加了電路所需的輸入電流。與非自舉模式相比，這導(dǎo)致自舉模式下所需的輸入電壓（約 150 mV）略高。如前所述，自舉的好處對于更高的電池電壓并不顯著，更高的柵極驅(qū)動帶來的優(yōu)勢不足以抵消自舉電路中增加的靜態(tài)電流所帶來的增加的損耗。

　　審核編輯：湯梓紅