采用降压/升压开关稳压器解决电池容量问题

电子设计 2019-03-27 3319

描述

降压（“降压”）开关电压转换器（或稳压器）是电池供电产品的常用产品，因为它们在宽电压和负载范围内都很有效，并且相对简单。但是，当电池电压低于所需输出时，调节器停止运行。这在便携式设计中可能是一个缺点，因为在电源“掉出”之后，电池中通常会留下一些未使用的容量，否则这些容量可能会用于延长运行时间。

解决未使用电池容量的常用解决方案是降压/升压（“降压/升压”）开关稳压器或替代拓扑结构，如单端初级电感转换器（SEPIC）。一旦电池输出低于所需的电源输出，这些类型的电源会自动切换到升压配置。但降压/升压器件相对昂贵，电路更复杂，电源占用更大的电路板空间。

然而，开关电源的选择较少，可以最大化电池容量在便携式产品中，简单且便宜：开关逆变调节器。这些通常用于将正输入电压转换为（较低）负输出，但也可用于将变化的正输入转换为较低或较高的负输出。

本文介绍了开关反相稳压器及其应用，然后引导描述使用该器件调节变化的输入电压的拓扑结构，作为传统降压/升压稳压器的替代方案。

反相调节器的剖析

图1显示了开关反相调节器的简化原理图。调节器包括脉冲宽度调制（PWM）控制器，其驱动连接到电感器的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。当存储MOSFET关闭时，电感充当储能器。

图1：开关反相电压调节器的简化原理图。（由Linear Technology提供）

图2（a）和2（b）显示了等效电路，说明了图1所示电路工作期间发生的情况。当晶体管（Q）导通时（图如图2（a）所示，二极管（D）反向偏置，电感器（L）中的电流增加。当Q关闭时（图2（b）），L改变极性，D变为正向偏置，电流从L流向负载和电容器（C）。相对于系统地，C和负载两端的电压为负。图3显示了电路的时序图。

图2（a）左侧和2（b）：说明a的操作的等效电路开关反相调节器。（由Linear Technology提供）

图3：开关反相稳压器的时序图。（由Linear Technology提供）

降压/升压应用中的逆变器

开关逆变稳压器受工程师欢迎，包括双倍应用其中包括传感器和音频放大器。然而，今天的高压同步反相稳压器正在寻找第二种应用，作为降压/升压操作的传统降压/升压，SEPIC和反激拓扑的替代方案。

可以使用反相稳压器将（有时是广泛的）变化的正输入转换为更低或更高的负输出 - 提供更简单（通常仅使用单个电感器）和更成熟的降压/升压电源设计的替代品。

有多种DC-DC开关控制器可供选择，在这些控制器上可以使用反相电压调节器电路。例如，图4显示了凌力尔特公司LTC3863在典型降压/升压应用中反相DC-DC控制器。 LTC3863针对汽车和工业应用进行了优化。该芯片驱动P沟道功率MOSFET产生负输出，只需一个电感即可完成电路。输出电压范围为-0.4至-150 V，较高的电压仅受外部元件额定值的限制。 LTC3863具有出色的轻载效率，仅消耗70μA的静态电流。开关频率可设置为50至850 kHz。

当用作P沟道MOSFET加电感器和二极管（以及支持无源器件）的控制器时，LTC3863支持反相稳压器拓扑结构，具有传统降压/升压拓扑调节范围的降压转换器的简单性。在这种配置中，电路从4.5到55V的输入电压（开关频率为320kHz）提供最大电流为1.8A的-5V输出电压。

图4：LTC3863基于DC-DC开关控制器的反相电源示例设计。（由Linear Technology提供）

整个转换器电源路径包含LTC3863，MOSFET Q1，电感L1，二极管D1和输出滤波电容COUT1和COUT3。

德州仪器（TI）的TPS5430作为传统电源拓扑的降压控制器而推广，也可以配置为反相降压/升压设计的基础。该芯片集成了MOSFET开关元件。工作频率为500 kHz，器件可接受-0.3至40 V的宽输入电压范围，在高达3 A（连续）或4 A（峰值）电流时提供1.2至31 V输出，效率高达95％。

就其本身而言，Maxim提供MAX765开关反相稳压器，可用于降压/升压拓扑。器件的输入电压范围为3至16 V，输出电压预设为-12 V（但也可使用两个外部电阻在-1 V至-16 V范围内调节）。最大工作电压（VIN - VOUT）差分为20 V.

总之，开关反相稳压器可以比传统的降压/升压器件更简单，更便宜的降压/升压操作选项。在这种类型的应用中使用开关反相稳压器的缺点是输出电压为负。但是，反转电路的极性很简单;该电路可以设计成使负输出设置为系统接地，负电池端子然后成为“正”电压源。器件输入端的有效电压为VIN - VOUT 2 。

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