可穿戴設備開發(fā)最佳設計所需設計技術(shù)和考量

在便攜和可穿戴式設備應用的驅(qū)動下，很多設計正在朝著 3.6 伏或更低供電電壓的方向發(fā)展。但是，很多便攜式設備的某些功能又需要更高的電壓，這就要求設計人員通過以最佳方式實施的 DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器，盡可能高效地向上轉(zhuǎn)換到所需的電壓。

本文將回顧 DC-DC 升壓穩(wěn)壓器的用途，并介紹它們的拓撲。隨后，本文還將介紹一些實例器件，討論為便攜式設備和可穿戴式設備應用開發(fā)最佳設計所需的設計技術(shù)和考量。

DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器的作用

典型的可穿戴式設備或便攜式設備使用了鋰離子電池，標稱輸出為 3.6 伏直流電。大多數(shù)電池供電的應用都依賴于一個或多個串聯(lián)的鋰離子電池來提供主供電電壓。雖然這足以滿足大多數(shù)應用的需求，但筆記本電腦、平板電腦和其他移動設備具有的一些特定功能需要更高的電壓。

這樣的例子包括白光發(fā)光二極管 (LED) 背光驅(qū)動、射頻收發(fā)器、精密模擬電路，以及光接收器中的雪崩光電二極管 (APD) 的偏置電路。升壓 DC-DC 穩(wěn)壓器可將低輸入電壓轉(zhuǎn)換為高輸出電壓，從而滿足這些應用需求。

典型升壓轉(zhuǎn)換器拓撲

升壓穩(wěn)壓器的關(guān)鍵元器件包括：電感器；半導體開關(guān)，通常為功率 MOSFET；整流器二極管；集成電路 (IC) 控制塊；輸入和輸出電容器（圖 1）。

圖 1： 基本升壓穩(wěn)壓器配置，顯示當開關(guān)打開和關(guān)閉時的電流方向（圖片來源： Digi-Key Electronics，基于 Texas Instruments 提供的原始資料）

當施加 VIN 電壓且電源開關(guān)關(guān)閉時，電流沿著藍色路徑，通過電感器流到地。電感器將電能存儲在其磁場中。二極管反向偏置，隨著其存儲的電能供應給負載，輸出電容器兩端的電壓降低。

相反，當電源開關(guān)打開時，電流沿著紅色路徑流動，因為崩潰的磁場產(chǎn)生正電壓，并通過正向偏置的二極管傳輸電感器電能，為輸出電容器充電并供應給負載。

通過改變電源開關(guān)的占空比，控制塊保持恒定的輸出電壓，以響應輸入電壓變化和負載變化。輸出端的電阻分壓器可為控制塊提供電壓反饋，以便調(diào)節(jié)占空比并保持所需的輸出電壓值。

除了這些基本功能之外，集成式設計還包括可選的保護功能，針對超溫、輸出短路、開路負載條件和輸入過流等情況提供保護。

對基本電路的常見改進是使用第二個 MOSFET 替換二極管。第二個 MOSFET 充當同步整流器，在電源開關(guān)關(guān)閉時打開。其較低的電壓降減少了功率耗散，同時提高了穩(wěn)壓器的效率。

在電池供電的設備中，更高的效率就等于更長的電池壽命，因而同步設計是一大優(yōu)勢。此外，便攜式設備和可穿戴設備通常在空間上受到限制，因此面向這些應用的升壓轉(zhuǎn)換器具有很高的集成度。將電源元器件包括在封裝中，將會限制其供流能力，但在電池供電設備的設計中，這個缺點是可以接受的。很多此類應用長時間處于關(guān)斷模式，因而超低的靜態(tài)電流消耗變得至關(guān)重要。

Texas Instruments 提供的 TPS610993YFFT 就是低功耗升壓穩(wěn)壓器的一個例子（圖 2）。這是一種同步器件，其靜態(tài)電流僅1μA，但能提供高達 800 毫安 (mA) 的電流，并在低至 0.7 伏特的輸入電壓下產(chǎn)生 3.0 伏特的輸出電壓。該器件的設計目的是在輕負載條件下最大程度地提高工作效率。它可與堿性電池或充電電池（例如 NiMH 電池或鋰離子電池）配合使用。

圖 2： TPS61099x 系列能夠從 0.7 伏特的輸入電壓提供高達 5.5 伏特的輸出電壓。（圖片來源：Texas Instruments）

TPS610993 將電源開關(guān)和同步整流器集成到 6 焊球的晶圓級芯片尺寸封裝 (WCSP) 中，尺寸僅為 1.23 毫米 x 0.88 毫米。由于尺寸小巧，它非常適用于光學心率監(jiān)測儀、存儲器液晶顯示屏 (LCD) 偏置驅(qū)動器，以及類似的空間受限的應用。該器件是 TPS61099x 系列產(chǎn)品的成員，輸出電壓在 1.8 伏特至 5.5 伏特之間。

在為智能手機攝像頭閃光燈或電池供電的 LED 燈產(chǎn)生更高的電壓方面，Microchip Technology 的 MCP1665 采用了不同的方法：它集成了 36 伏特、100 毫歐 (m?) 的 NMOS 電源開關(guān)，但在非同步拓撲中使用了外部二極管。

圖 3： Microchip 的 MCP1665 能夠從鋰離子、NiMH 或 NiCd 電池產(chǎn)生高達 32 伏的電壓。（圖片來源：Microchip Technology）

該器件能夠從 5 伏電源提供高達 1000 毫安的電流，并具備多種特性，包括受控啟動電壓、工作模式選擇、500 千赫茲 (kHz) 的開關(guān)頻率；峰值電流模式架構(gòu)可在廣泛負載范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率。

在一些升壓應用中，將輸出電壓維持在設定值并非主要設計目標。在 LED 背光驅(qū)動中，所需的 LED 亮度是通過 LED 燈串的電流的函數(shù)，因此，流經(jīng)分流電阻器的電流形成了控制器的反饋電壓，并決定了升壓電壓。Diodes Incorporated 供應的 AP3019AKTR-G1 是經(jīng)過優(yōu)化的升壓轉(zhuǎn)換器的一個例子，適合在背光應用中驅(qū)動最多 8 個 LED 的燈串（圖 4）。

圖 4： AP3019A 驅(qū)動器的典型開關(guān)頻率為 1.2 MHz，包括可控制 LED 背光燈串亮度的專門功能。（圖片來源： Diodes Incorporated）

該器件專門針對空間受限的應用進行了優(yōu)化，內(nèi)部包括電源開關(guān)和二極管，開關(guān)頻率為 1.2 MHz，允許使用微型外部元器件。AP3019A 采用 SOT-23-6 封裝，能夠提供高達 550 mA 的電流。

CTRL 引腳是專用的關(guān)斷和調(diào)光輸入：將該引腳連接到 1.8 伏或更高的電壓可啟用器件；連接到 0.5 伏或更低的電壓可禁用器件；應用脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 信號可實現(xiàn) LED 亮度控制。

采用以下設計技巧來優(yōu)化效率

在已經(jīng)討論的一些器件中，制造商已在內(nèi)部固定了一些參數(shù)，但設計人員通常還要在幾個方面進行取舍，以優(yōu)化轉(zhuǎn)換效率。此外，他們還必須根據(jù)適用的指導準則，慎重地選擇正確的外部元器件。

開關(guān)頻率： 雖然開關(guān)頻率不會直接影響輸出電壓，但它會對電源設計產(chǎn)生很大影響。一般來說，對于特定應用，在開關(guān)頻率更高的情況下，設計人員能夠使用更小的電感器和電容器。電感器尺寸主要取決于允許的紋波電流大小。對于特定的電感，隨著開關(guān)頻率提高，紋波電流減小：假定有多種器件可選，設計人員可在較高的開關(guān)頻率和較小的電感器之間達到平衡，同時保持相同大小的紋波電流。

較高的工作頻率可為開關(guān)穩(wěn)壓器提供更大的帶寬，縮短瞬態(tài)響應時間。較小的電感器還可減少電源的尺寸和成本。

電感器選擇： 電感器是升壓轉(zhuǎn)換器的一個關(guān)鍵元件：能在電源開關(guān)接通期間存儲能量，并在關(guān)斷期間將存儲的能量通過輸出整流二極管傳輸至輸出。

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。對于給定的物理尺寸，電感較低的電感器會擁有較高的飽和電流和較低的串聯(lián)電阻，但較低電感會導致更高的峰值電流，進而使能效降低，紋波增大和噪聲提高。

在選擇合適的電感器時，電感器的額定飽和電流必須大于電感器峰值電流，電感器的 RMS 額定電流必須大于穩(wěn)壓器的最大直流輸入電流。

大多數(shù)升壓穩(wěn)壓器的規(guī)格書都包括了針對不同負載電流和電壓的建議：我們上文介紹的來自 Microchip 的 MCP1665 的規(guī)格書建議，對于 15 伏以下的輸出電壓，使用 Panasonic Electronic Components 的 ELL-8TP4R7NB 4.7 微亨 (μH) 電感器；對于更高的輸出電壓，使用 Wurth Electronics 的 7447714100 10 μH 電感器。

二極管選擇

在非同步設計中，應該使用正向電壓較低的肖特基二極管來減少損耗。二極管的平均正向額定電流必須等于或高于最大輸出電流。二極管的重復峰值正向額定電流必須等于或高于電感器峰值電流，二極管的反向擊穿電壓必須高于內(nèi)部電源開關(guān)額定電壓。

例如，MCP1665 帶有 36 伏特的內(nèi)部開關(guān)，能夠提供高達 1 安培的電流。因此，Microchip 建議使用 STMicroelectronics 供應的 STPS2L40VU 肖特基二極管，該器件的反向擊穿電壓為 40 伏特，正向電流為 2 安培。

在高溫下，二極管的漏電電流也可能對轉(zhuǎn)換器的工作效率產(chǎn)生重大影響。對于較高的電流和環(huán)境溫度，請使用具有良好熱特性的二極管。

輸入和輸出電容器： 在升壓拓撲中，電感器的作用是消除為穩(wěn)壓器電路供電的電源電路的瞬態(tài)需求，從而減少所需的輸入濾波。X5R 等級的陶瓷電容器通常足以滿足 +85°C 工作溫度的需求，但對于 +125°C 的工作溫度，可能需要低 ESR 的 X7R 電容器。

如果電源的阻抗過高，無法將輸入電壓保持在高負載階躍下的欠壓鎖定閾值之上，則還可能需要其他的電解電容器或鉭電容器。

在負載側(cè)，輸出電容器可減少負載紋波，幫助在負載瞬態(tài)期間提供穩(wěn)定的輸出電壓。建議使用 X7R 陶瓷電容器作為輸出電容器：其他類型的電容器可能具有較高的 ESR，會降低轉(zhuǎn)換器效率。

電容器的 DC 額定值應該適當高于最大輸出電壓 VOUT，因為當接近最大電壓時，陶瓷電容器會損失效率。有關(guān)電容器選擇的建議，請查詢規(guī)格書。

升壓穩(wěn)壓器布局注意事項： 升壓穩(wěn)壓器具有高速開關(guān)特征，因此其性能對 PCB 布局非常敏感：寄生電感和電容可能導致高輸出紋波、輸出穩(wěn)壓效果不佳、電磁干擾 (EMI) 過大，甚至因高電壓尖峰而導致故障。

因此，設計人員應對 PCB 布局給予高度關(guān)注，并使用以下技巧：

1. 輸出電容器的位置應該靠近器件，并使用短而寬的走線進行連接，以最大程度減少可能導致電壓瞬時振蕩和尖峰的寄生電感。多個過孔有助于降低寄生電容。

2. 放置輸出電容器之后，將電感器放置在靠近 IC 的位置，以降低產(chǎn)生的電磁干擾。由于 SW 節(jié)點（參見圖 2、3、4）存在電氣噪聲，因此反饋 (FB) 信號和其他敏感走線應該遠離此節(jié)點。

3. 輸入電容器的接地節(jié)點也應該靠近 IC 電源接地引腳，以最大程度減小回路面積。

4. 要達到最佳熱性能，布局應該包括從器件導熱墊（如適用）一直到地平面的散熱過孔；這樣可以改進散熱，降低熱關(guān)斷的風險。

5. 電源接地、信號接地和導熱墊應該在單個低阻抗接地點連接在一起。

在線設計工具會加快設計過程

高效的電源設計要求設計人員具備多個領(lǐng)域的專業(yè)知識，包括元器件評估和選擇、磁性元件、補償電路設計、優(yōu)化、熱分析和布局等。

在認識到其中的復雜性后，多家電源半導體供應商提供了實用的在線設計工具，用于指導工程師完成所需的步驟來實現(xiàn)成功的設計。

Texas Instruments 提供了多種工具。例如，Power Stage Designer? 可幫助工程師設計最常用的開關(guān)電源。對于升壓轉(zhuǎn)換器，我們需要選擇升壓、降壓-升壓和 SEPIC 拓撲。選擇推薦的拓撲之后，程序還會幫助設計人員比較不同電源 FET 的性能、挑選大容量電容器、確定補償網(wǎng)絡，并且執(zhí)行其他設計功能。

ADI 提供了 ADIsimPower? 設計工具組，可幫助設計人員生成完整原理圖和物料清單 (BOM)，并計算電路性能。ADIsimPower 能在考慮 IC 和外部元件的工作條件和局限性的同時，在成本、板面積、能效和零件數(shù)量方面對設計進行優(yōu)化。

總結(jié)

升壓穩(wěn)壓器讓我們能夠使用高電壓電路功能，在電池供電的便攜式設備和可穿戴設備的設計中，它扮演著非常重要的角色。但是，設計人員必須選擇適合所需升壓應用的器件，并且注意多種關(guān)鍵設計權(quán)衡和最佳實踐。