高效率升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計

許 佳

（西安機電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065）

0 引 言

小型化遙測系統(tǒng)內(nèi)部電池的輸出電壓通常要小于遙測系統(tǒng)中大部分核心部件的正常工作電壓，在這樣的情況下就需要具有升壓功能的電源系統(tǒng)。開關(guān)電源具有多樣變換電壓、重量輕以及轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，因此在小型化遙測供電系統(tǒng)中具有重要作用。由于小型化遙測系統(tǒng)的空間和重量受到限制，其電池容量有限，而且電池輸出電壓偏低，為了解決這一問題，保證系統(tǒng)的正常運行，延長其運行時間，進(jìn)行高效率的升壓式DC-DC變換器的研究具有重要意義[1]。

1 Boost 型轉(zhuǎn)換器的功率損耗源分析及降低功率損耗的技術(shù)

高效率升壓型DC-DC設(shè)計的主要目的是提高DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率。在開展這一工作前，需要明確其功率的損耗來源，然后根據(jù)其損耗來源制定出針對性的措施來降低損耗，從而有效提高DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率。

1.1 功率損耗源分析

Boost 型轉(zhuǎn)換器的功率損耗源主要包括導(dǎo)通損耗、驅(qū)動損耗、靜態(tài)損耗、開關(guān)損耗以及體二極管導(dǎo)通損耗等，在不同負(fù)載的情況下，這些損耗的大小是變化的，占總損耗的比重也不斷變化，因此為了提高轉(zhuǎn)換效率，在不同負(fù)載下需要有不同的側(cè)重地減小損耗，從而起到良好的降低損耗的效果。

（1）導(dǎo)通損耗。為負(fù)載供電時，電流在流經(jīng)具有電阻性的元件時，會產(chǎn)生功率的損耗，即為導(dǎo)通損耗。

（2）驅(qū)動損耗。在系統(tǒng)運行時，需要控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，在這個過程中會發(fā)生損耗，即為驅(qū)動損耗。

（3）開關(guān)損耗。在控制開關(guān)功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷的過程中也會產(chǎn)生損耗，即開關(guān)損耗。

（4）體二極管導(dǎo)通損耗。對于開關(guān)功率管，其具有體效應(yīng)二極管，在死區(qū)時間，電感電流需要通過體二極管實現(xiàn)續(xù)流，這個過程產(chǎn)生的損耗稱為體二極管導(dǎo)通損耗。

（5）靜態(tài)損耗。轉(zhuǎn)換器中的控制模塊在運行過程中也會產(chǎn)生損耗，這部分損耗被稱為靜態(tài)損耗[2]。

1.2 提高效率的技術(shù)

針對DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率損耗原因，可以采取針對性的技術(shù)，來降低功率的損耗，從而提高轉(zhuǎn)換器的效率。當(dāng)前，常用提高效率的技術(shù)包括同步整流技術(shù)、多模式工作技術(shù)、不同尺寸開關(guān)管并聯(lián)技術(shù)、動態(tài)改變驅(qū)動電壓技術(shù)、同步整流的死區(qū)時間控制技術(shù)以及減少各模塊靜態(tài)電流技術(shù)等。

（1）同步整流技術(shù)。應(yīng)用P型功率管來代替整流二極管，通過應(yīng)用導(dǎo)通電阻小、壓降小的特點，可以降低導(dǎo)通電阻帶來的損耗。

（2）多模式工作方式。采用PWM在高負(fù)載時效率高，PFM在低負(fù)載時工作效率高，根據(jù)功率實現(xiàn)工作模式的切換，可以提高全負(fù)載范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換器的效率。

（3）不同尺寸開關(guān)管并聯(lián)技術(shù)。并聯(lián)不同尺寸的開關(guān)管，根據(jù)不同負(fù)載進(jìn)行開啟，可以降低損耗。

（4）動態(tài)改變驅(qū)動電壓。導(dǎo)通損耗和驅(qū)動損耗是轉(zhuǎn)換器中最大的兩個損耗來源，而且存在一個驅(qū)動電壓可以使驅(qū)動損耗和導(dǎo)通損耗總和最小，因此通過動態(tài)改變驅(qū)動電壓可以降低驅(qū)動損耗和導(dǎo)通損耗總和。

（5）同步整流的死區(qū)時間控制。通過實現(xiàn)精確的死區(qū)時間控制，可以防止由于死區(qū)時間過長或者過短而造成的損耗。

（6）減少各模塊的靜態(tài)電流。在待機或者是負(fù)載比較小的情況下，各模塊的靜態(tài)電流損耗就會成為主要的損耗來源，影響效率。小型化遙測系統(tǒng)處于待機狀態(tài)時，靜態(tài)電流損耗成為其主要消耗，因此減少靜態(tài)電流，提高待機時的效率非常重要。通常采取在待機狀態(tài)或者輕載狀態(tài)下，將不工作的模塊關(guān)斷的方式來降低靜態(tài)電流。

2 高效率升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計

本文應(yīng)用了同步整流技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，聯(lián)合多個不同尺寸的開關(guān)管，基于負(fù)載的大小來選擇導(dǎo)通相應(yīng)大小尺寸的開關(guān)管，還采用了雙模自動切換技術(shù)，進(jìn)行了高效率升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計，并對其關(guān)鍵部分的硬件設(shè)計進(jìn)行了分析。

2.1 系統(tǒng)整體功能

本文設(shè)計的高效率Boost型轉(zhuǎn)換器是一種能夠在全負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率的轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)如表1中所示。

表1 轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)

其能夠給小型化遙測系統(tǒng)的編碼器和發(fā)射機提供恒定的直流電壓。轉(zhuǎn)換器應(yīng)用了峰值電流，同時應(yīng)用了并聯(lián)多個不同尺寸開關(guān)管的技術(shù)，能夠根據(jù)負(fù)載的大小來進(jìn)行選擇性的導(dǎo)通，實現(xiàn)高效的控制。其具有PWM和PFM兩種工作模式，當(dāng)負(fù)載比較小時能夠自動切換到PFM模式下，同時設(shè)計了軟啟動的功能，從而使其具備防止啟動時因電感出現(xiàn)的浪涌電流及輸出電壓的瞬時升高導(dǎo)致元器件的損毀的能力。

2.2 系統(tǒng)的整體設(shè)計

2.2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計介紹

本文設(shè)計的是一種主要應(yīng)用于小型化遙測系統(tǒng)的高效率Boost型轉(zhuǎn)換器，基于小型化遙測系統(tǒng)的實際需要，其負(fù)載電流需要在輕載和重載之間變化。例如，發(fā)射機會在大小功率之間進(jìn)行切換。因此對于系統(tǒng)提出了更高的要求，要求在各種狀態(tài)下都能夠具有較高的效率。在PWM的模式下，DC-DC轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動損耗和開關(guān)損耗不會隨著復(fù)雜電流的變化而發(fā)生變化，但是在輕載的工作狀態(tài)下，這部分損耗和輸出功率相當(dāng)，導(dǎo)致此時的工作效率比較低，如果轉(zhuǎn)換器在輕載工作模式下的工作時間比較長，則其工作效率會直接決定電池的使用時間。因此，為了使轉(zhuǎn)換器在各種狀態(tài)下都能夠保持較高的效率，需要采用降低輕載狀態(tài)下開關(guān)頻率的方式來降低開關(guān)的頻率，從而使其驅(qū)動消耗和開關(guān)頻率都降低，使系統(tǒng)的電源效率得到提升。通過應(yīng)用并聯(lián)不同尺寸開關(guān)管的技術(shù)，可以根據(jù)負(fù)載的大小調(diào)整開關(guān)管的導(dǎo)通情況，從而實現(xiàn)降低開關(guān)頻率的目的。通過這樣的設(shè)計，可以使轉(zhuǎn)換器在全負(fù)載范圍內(nèi)的效率都得到提升，從而延長電池的使用時間[3]。

基于以上論述，在本文的設(shè)計中應(yīng)用同步整流技術(shù)，結(jié)合并聯(lián)不同大小尺寸的開關(guān)管技術(shù)來進(jìn)行設(shè)計，并且應(yīng)用了PWM/PFM雙模式自動切換技術(shù)，系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的整體框架

2.2.2 系統(tǒng)的工作原理分析

當(dāng)系統(tǒng)開始上電，軟啟動模式會進(jìn)行動作，開啟參考電壓，使電壓緩慢上升，從而使電感電流和輸出電壓都開始緩慢上升，并且達(dá)到穩(wěn)態(tài)。當(dāng)電感電流和輸出電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)以后，控制環(huán)路能夠?qū)敵鲭妷哼M(jìn)行動態(tài)的檢測，發(fā)現(xiàn)其發(fā)生的變化，然后將變化電壓經(jīng)過分壓網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分壓以后，輸入到誤差放大器的反向輸入端。誤差放大器將此電壓進(jìn)行放大，并且可以和基礎(chǔ)電壓進(jìn)行比對，得到差值，即為誤差信號VEA。PWM比較器比較經(jīng)補償后的采樣電感電流信號與誤差信號VEA，可以得到關(guān)斷開關(guān)管的信號?；谶壿嬰娐?，調(diào)節(jié)脈沖的寬度，對輸出電壓進(jìn)行控制，使其保持為一定值。同時，輸出的誤差信號VEA會輸入到開關(guān)管選擇比較器。由于該誤差信號和負(fù)載電流之間呈現(xiàn)出正比的關(guān)系，因此能夠基于負(fù)載電流的大小對開關(guān)管進(jìn)行控制，使導(dǎo)通的開關(guān)管和實際需求匹配。通過VEA可以實現(xiàn)WM/PFM雙模式調(diào)制的切換，從而有效提高轉(zhuǎn)換器的效率[4]。

2.2.3 系統(tǒng)各模塊功能

本文設(shè)計的高效率Boost型轉(zhuǎn)換器主要具有以下模塊，分別是基準(zhǔn)電壓源模塊、振蕩器、誤差放大器、PWM比較器、電流限制比較器、開關(guān)管選擇比較器、電流采樣模塊、軟啟動模塊、PWM/PFM 自動切換模塊和Level-shift模塊，下面對各模塊的功能進(jìn)行介紹。

（1）基準(zhǔn)電壓源模塊。提供參考電壓，誤差放大器和其他模塊以基準(zhǔn)電壓作為參考，基準(zhǔn)電壓基本不會隨電壓電壓以及溫度等的變化而發(fā)生變化。

（2）誤差放大器。反饋電路中的重要模塊，能夠?qū)Σ蓸虞敵鲭妷汉突鶞?zhǔn)電壓之間的誤差值進(jìn)行放大。

（3）PWM比較器。主要功能是對采用的電感電流信號和誤差信號進(jìn)行比對，然后根據(jù)比對結(jié)果對控制開關(guān)動作的脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，從而實現(xiàn)輸出電壓的控制。

（4）電流限制比較器。PFM模式下能夠?qū)崿F(xiàn)電感峰值電流的控制，使其保持為固定值，具體的控制方式是比較電感電流信號和設(shè)定的固定電流值，并基于其對控制開關(guān)的關(guān)斷實現(xiàn)對電感峰值電流的控制[5]。

（5）開關(guān)管選擇比較器。其能夠基于實際的負(fù)載情況，對開關(guān)管的導(dǎo)通情況進(jìn)行控制。

（6）振蕩器。提供1 MHz頻率的時鐘信號，并且產(chǎn)生電感電流下降斜率一半的斜坡補償信號。

（7）電流采樣模塊。采集電感電流，并將其轉(zhuǎn)化為電壓，通過采樣主開關(guān)的電流來間接實現(xiàn)電感電流采集。

（8）軟啟動模塊。實現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動，在系統(tǒng)啟動過程中可以提供隨著時間而緩慢上升的參考電壓，這樣能夠避免電感出現(xiàn)浪涌電流，同時可以防止出現(xiàn)輸出電壓瞬時升高的情況，對系統(tǒng)起到保護(hù)作用。

（9）PWM/PFM 自動切換模塊?；谪?fù)載實現(xiàn)系統(tǒng)模式的自動切換。

（10）電流倒流檢測模塊。主要作用是避免出現(xiàn)輸出端電流往電感方向倒流的情況。在實際運行過程中，當(dāng)系統(tǒng)處于DCM工作模式時，若電感電流下降為0，則其將PMOS開關(guān)管關(guān)閉，從而實現(xiàn)上述功能。

（11）Level-shift模塊。其能夠提升PMOS開關(guān)管的驅(qū)動電壓，達(dá)到和輸出電壓相等，從而實現(xiàn)該開關(guān)管的徹底關(guān)斷。

3 結(jié) 論

本文應(yīng)用了同步整流技術(shù)，聯(lián)合多個不同尺寸的開關(guān)管，基于負(fù)載的大小來選擇導(dǎo)通相應(yīng)大小尺寸的開關(guān)管，還采用了雙模自動切換技術(shù)，設(shè)計了一個高效率升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器主要包括基準(zhǔn)電壓源模塊、振蕩器、誤差放大器、PWM比較器、電流限制比較器、開關(guān)管選擇比較器、電流采樣模塊、軟啟動模塊、PWM/PFM自動切換模塊和Level-shift模塊，有效提升了輕度和超輕度負(fù)載下的效率，使其效率超過了80%，同時兼顧了重度負(fù)載和重度負(fù)載下的效率，有效延長了電池的使用時間，提升了遙測系統(tǒng)的工作時間。