一種低輸入電壓、低功率Step-up DC-DC變換器的設(shè)計(jì)

門(mén)秀萍

(安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030)

0 引言

在遙控器、MP3播放器、便攜式產(chǎn)品和手持式設(shè)備等電子產(chǎn)品中，通常使用單節(jié)AA電池或充電電池供電，［1］其電壓約為1.2 V，無(wú)法保證大部分電子半導(dǎo)體器件正常穩(wěn)定地工作。為此提出了一種基于回掃變壓器起動(dòng)的低輸入電壓、低功率的Step-up DC-DC轉(zhuǎn)換器，它能夠在低達(dá)0.5 V的低輸入電壓下工作，并可以通過(guò)DC-DC升壓轉(zhuǎn)換，將輸出電壓升高至3.3 V或5 V。該電壓能夠被大多數(shù)電子半導(dǎo)體器件直接使用。

1 Step-up DC-DC變換器原理介紹

圖1為Step-up DC-DC變換器的簡(jiǎn)化原理圖。它由變壓器 T1，電容 C1，C2和 C5，二極管D1，場(chǎng)效應(yīng)管Q1，Q2，電阻 R1以及驅(qū)動(dòng)控制電路組成。

圖1 Step-up DC-DC變換器的簡(jiǎn)化原理圖

該升壓變換器對(duì)傳統(tǒng)的升壓變換器主要進(jìn)行了以下改進(jìn)。

1)用變壓器替代單線圈，并聯(lián)晶體管Q1和Q2。該設(shè)計(jì)方案需要一個(gè)變壓器的次級(jí)線圈來(lái)降低最低輸入電壓，使最低電壓能夠低于500 mV，由于控制開(kāi)關(guān)晶體管的有源電路在此低電壓下不能正常工作，因此，該變換器必須工作在自激振蕩模式下，從而使該次級(jí)線圈能夠驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)晶體管。

2)將2個(gè)開(kāi)關(guān)管并聯(lián)。一個(gè)用來(lái)啟動(dòng)變換器，另一個(gè)使變換器工作在穩(wěn)態(tài)。選用JFET(結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管)作為起動(dòng)開(kāi)關(guān)管Q1，因?yàn)槠淇梢栽诹銝艠O電壓下導(dǎo)通，并具有極低的開(kāi)啟電壓。

3)Q1不能用作主開(kāi)關(guān)管，因?yàn)槠鋵?dǎo)通電阻通常有幾十歐姆，會(huì)產(chǎn)生較高的導(dǎo)通損耗，從而降低變換器的效率。因此，在起動(dòng)階段以后選用NMOS(N溝道場(chǎng)效應(yīng)管)作為主開(kāi)關(guān)管Q2，采用2個(gè)開(kāi)關(guān)管并聯(lián)，不僅可以在起動(dòng)時(shí)達(dá)到0起動(dòng)電壓，還可以在穩(wěn)態(tài)時(shí)具有較低的導(dǎo)通電阻。

當(dāng)輸入電壓Vin上升時(shí)，Q1的電流開(kāi)始增加，同時(shí)變壓器T1初級(jí)線圈的電流也開(kāi)始上升，在次級(jí)線圈上產(chǎn)生一個(gè)低的電壓感應(yīng)。從而使Q1的PN結(jié)導(dǎo)通，C1被充電到一個(gè)極小的負(fù)電壓。當(dāng)輸入電壓Vin上升到最大值時(shí)，初級(jí)線圈上的電流變?yōu)楹愣ㄖ担渭?jí)線圈上電壓為0，C1存儲(chǔ)了一個(gè)負(fù)電壓，并加在Q1的柵極上。如果此電壓接近Q1的關(guān)斷電壓，通過(guò)初級(jí)線圈的電流則開(kāi)始減小。初級(jí)線圈的電流減小，則在次級(jí)線圈上感應(yīng)出一個(gè)正電壓。因此一個(gè)負(fù)電壓加在Q1的柵極，Q1關(guān)斷。當(dāng)在次級(jí)線圈上電壓脈沖足夠大時(shí)，Q2導(dǎo)通。C1上的電壓向負(fù)方向越來(lái)越大，T1將不再導(dǎo)通，只有Q2導(dǎo)通。Q2的柵極電壓取決于Q2的導(dǎo)通電阻，因此時(shí)間就是導(dǎo)通時(shí)間，保持開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)間幾乎是恒定的。變換器輸出電壓的調(diào)整取決于變換器的開(kāi)關(guān)頻率。

續(xù)流二極管D1(見(jiàn)圖1)被替換成一個(gè)PMOS(P溝道場(chǎng)效應(yīng)管)。其導(dǎo)通時(shí)Q2截止。PMOS被一個(gè)連接到Q2漏極的簡(jiǎn)單的變換電路所控制。在這種方式下，升壓電路變成同步整流變換器。這種變化導(dǎo)致正向壓降的降低，使效率提高5%左右。

2 反饋控制

反饋控制電路(見(jiàn)圖2)，由起動(dòng)輔助電路，場(chǎng)效應(yīng)管柵極保護(hù)電路和輸出電壓反饋調(diào)整電路組成。

圖2 反饋控制電路圖

起動(dòng)輔助電路由C3(22 nF)、C4(470 pF)和JFET Q3組成，C3和JFET Q3串聯(lián)后再和C4并聯(lián)。起動(dòng)時(shí)，Q3的柵源級(jí)電壓為0，因此，C3和C4并聯(lián)。這種并聯(lián)有助于變換器在低電壓時(shí)開(kāi)始振蕩。T1初次級(jí)線圈匝數(shù)比為6，可以使最小起動(dòng)電壓達(dá)到300 mV，并使初級(jí)線圈獲得低阻抗，從而不影響變換器的效率。然而，這樣會(huì)引起額外的柵源級(jí)電壓，從而引起高開(kāi)關(guān)損耗。但是，在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)JFET Q3是關(guān)斷的，此時(shí)只有電容C4(比C3有更小的電容)是有源的，能夠減少Q(mào)2的柵源級(jí)電壓損耗。因此，通過(guò)電容C4和C3并聯(lián)在Q3上，完成了一個(gè)低電壓起動(dòng)，減少了開(kāi)關(guān)損耗。

場(chǎng)效應(yīng)管柵極保護(hù)電路是為了保護(hù)Q2不被高的柵源級(jí)電壓損壞。電路由二極管 D2和6.8 V的穩(wěn)壓管D3組成。R2和D3并聯(lián)來(lái)起動(dòng)變換器。

反饋控制的第三個(gè)電路是輸出電壓反饋控制，它由二極管D4和D5、三極管Q4和電位器R3組成。這個(gè)電路控制Q2的柵源級(jí)電壓。因?yàn)樵撾娐返脑O(shè)計(jì)被簡(jiǎn)化了，不會(huì)和復(fù)雜環(huán)路一樣精確，但是，其產(chǎn)生的電流損耗較低，這一特點(diǎn)對(duì)太陽(yáng)能電池與微型燃料電池等新型電源系統(tǒng)的變換器設(shè)計(jì)是十分重要的。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按上述方法，搭建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)電路。設(shè)定輸出電壓為3.3 V，圖3顯示的是輸入電壓在500 mV時(shí)和輸出電流在10～100 mA時(shí)變換器的效率。升壓變換器在輸出電壓3.3 V和在輸出電流達(dá)到30 mA時(shí)，效率可達(dá)70%，并且在輸入電壓低至300 mV時(shí)，電路仍然可以正常起動(dòng)。

圖3 輸入電壓在500 mA、輸出電壓為3.3 V時(shí)和輸出電流在10～100 mA時(shí)變換器的效率

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的升壓變換器的改進(jìn)，提出了一種低輸入電壓、低功率Step-up DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)其工作原理進(jìn)行了詳細(xì)分析。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，即使在輸入電壓為0.5 V的低電壓情況下，輸出電壓仍可以起動(dòng)到3.3 V以上，確保帶隙基準(zhǔn)，誤差放大器和電流比較器等主控制電路正常工作，［2］從而能夠幫助設(shè)計(jì)人員解決低電壓設(shè)計(jì)方面的技術(shù)問(wèn)題，確保各種替代電源實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)電話、便攜式醫(yī)療設(shè)備與媒體播放器等產(chǎn)品中的應(yīng)用。同時(shí)，也支持太陽(yáng)能電池與微型燃料電池等新型電源在便攜式電子終端設(shè)備中的應(yīng)用。

［1］李新，牟鑫鑫.低輸入電壓DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)電路［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2010(5):174－176.

［2］劉傳軍，來(lái)新泉，解建章.一種低輸入電壓Boost型DC-DC的啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2004.