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降压/升压转换器随时代变迁

作者:Paul Rako,EDN技术编辑时间:2008-09-02来源:EDN China收藏

  提供的电压既可高于输入电压,也可低于输入电压。如果设计方案的输入电压会剧烈变化,或者如果其负载电压会变化,则该特性就有用武之地。

  要 点

  ·在汽车、消费类电子产品和其它应用中找到了用武之地。

  ·简单的和 Cuk 使输入电压逆变。

  ·SEPIC(单端初级电感)和四开关同步 H 桥降压/升压转换器不会使输入电压逆变。

  ·许多公司在为手持系统市场生产同步四开关降压/升压转换器。

  ·多数降压/升压体系结构具有 80% ~ 85% 效率,而同步四开关的效率高于 92%。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/87622.htm

  降压/升压转换器适合多种应用。不论是用电池给电池充电,为一串LED供电,还是依靠单节电池运行手持设备,降压/升压均能提供一种重要的设计技巧。不论是需要低成本、高效率,或是低噪声,降压/升压拓扑结构的某个版本均能解决问题。并且,如果降压/升压设计是为多种产品工作,则能省却为每个负载电压设计单独电源的大量工作。然而,正如任何类型的设计一样,降压/升压转换器也有自己的设计难题。

  例如,降压/升压转换器的一种常见应用:电池对电池充电,比如用车载电池给10.8V镍金属氢化物电池(NiMH)充电(图1a)。乍一看,人们也许会认为可使用低压差线性稳压器来执行这项任务,这是因为稳压器的10.8V电压接近12V铅酸电池的电压。但是,如果车正在行驶,则电池的充电电压为13.75V~14.2V,表明也许需要使用开关稳压器来防止功率损耗。人们也许仍然认为简单的降压稳压器应该能够胜任这项工作。然而,镍金属氢化物电池是从恒定电流接收电荷,因此它们的电芯电压升至每芯1.4V~1.6V。因此,对于9芯10.8V电池组,电荷终结电压必须达到12.6V。能在100mV压降情况下供电的现代同步降压稳压器也许仍能做这项工作,但该方法假定车在行驶。然而,在轿车诊断测试仪器的真实应用中,必须假设一些车没有启动。铅酸汽车电池在13V~14V充电,而无负载电压为12V。显然无法用12V电源和降压稳压器把9芯镍金属氢化物电池充到其12.6V终结电压。

  仪器应用也许很深奥,但系统设计者面临一个常见得多的问题:如何用一个锂离子电芯为3.3V手持电子系统供电(图1b)?想想使用Windows的手持电脑。它的存储器等数字电子部件必须依靠3.3V电源工作,而一个锂离子电芯提供3V~3.7V电力,因此让3.3VIC以3V运行也许很诱人。然而在电源电压范围方面,数字工艺不如模拟工艺宽松,以至于一些制造商拒绝说明芯片在3V的特性。

  另一种方法是采用两个锂离子电芯,然而,该方法有一些劣势。首先,应想到作为电源,电池的问题比电芯多。人们必然会担心可靠性:如果任何一个电芯由于断路而失效,则系统会丧失电力。如果任何一个电芯短路,则内部易熔元件会熔断——希望熔断不会引发火灾。无论如何,短路之后产品都无法正常工作。同样麻烦的是电芯电荷平衡问题。由于电池是金属电镀装置,因此通过把铅、锂或镍从阴极电镀到阳极来给它们充电。在给电池放电时,金属或金属离子从阳极向阴极放电。给电池重新充电时会出现另一个问题:如果一串电芯中的某一个接受的电荷较少,则它会限制电池组的输出。使用两个锂离子电芯时,该方法将把充电电压限制在8.4V。但该方法不保证每个电芯刚好4.2V。为了保证上述电压值,就必须实现复杂而昂贵的电荷平衡电路,它们以最优电压给每个电芯充电和放电。因此,多数现代手持产品均使用单一电芯。由于锂离子电芯输出3V~3.7V,因此降压/升压转换器适用于那些需要3.3V的手持设备。

  降压/升压转换器还可广泛用于汽车LED驱动器(图1c)。它们有着与仪器相同的电池电压范围问题。实际上,汽车方面的用途存在更重要的约束条件。汽车在启动时,在转动发动机时,电池可能会降至8V。仪器用充电电路的工作时间必须比汽车启动时间更长。然而,如果电源转换器在操作一串制动灯,人们不会希望由于输入电压摆动而使电路的输出下降。降压/升压体系结构能处理上述冷启动周期以及来自箝位负载陡降事件的40V瞬态。

  一种类似应用正在推动手机中的LED闪光装置的发展(图1d)。LED的正向电压可能高于或低于单芯锂离子电芯。降压/升压拓扑结构确保闪光LED总能接收相同电流,无论电池状态如何,也无论LED的任何工艺变化改变了它的正向电压。凌力尔特公司(LinearTechnology)设计经理SamNork说:“看看LED用作闪光灯的手机相机,也许你可以驱动0.5A流过LED。在这些条件下,LED的正向电压降约为3.6V。根据温度、元件变化和电池条件,如果你希望降压/升压转换器获得最佳性能,那么这就是一种经典情况。”这些设计优点适用于用锂离子电芯供电的LED闪光灯。

  在处理变化幅度大的输入电压时,人们也许会考虑采用降压/升压转换器,而它们在输出电压随元件变化而改变的应用中也很好用。Supertex公司应用工程师RohitTirumala指出,一些普通照明使用的是廉价的24V“砖块”电源。虽然LED串的输入电压得到相当程度的稳压,但输出电压可能因元件不同而明显变化。他说:“由于LED电压的变化,LED串也许需要降压或升压。例如,每个LED的变化幅度可能达1V。正向电压可能是3V至4V,因此包含6个LED的串也许需要18V~24V。”

  AnalogDevices公司产品营销经理BrianWengreen指出:松下和其它锂离子电池制造商正在创造改良的电池化学类型,它们在电池从3V放电至2.5V时会产生更多能量。他说:“依靠单个锂离子电芯工作的手机或照相机也许有变焦镜头或某种传动器,它需要稳定电压向机械系统提供扭矩。”这些照相机制造商在这种情况下使用降压/升压转换器,这是因为它们能“榨干”电池的最后一点能量。

  这些例子表明降压/升压转换器如何在输入电压和输出电压要求都变化时供电。这些转换器也是通用的。Tirumala说:“一些工程师想拥有使用相同电源的不同产品型号。某个型号也许使用四个LED,某个型号也许使用六个LED。它们能使用相同的降压/升压电源,因此成本会下降,而批量会上升。”他还指出:在人们使用整流交流电波形作为输入电源时,降压/升压转换器很好用(图1e)。此类应用之一是用LED取代MR16等无处不在的12V卤素灯泡。卤素灯具用交流或整流交流波形驱动灯泡。在LED灯泡的基座中使用降压/升压电路,设计者就能在输入电压变化时确保更恒定的平均电流。


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