DC-DC升壓電路原理與 應(yīng)用

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1、DC-DC升壓電路原理與應(yīng)用目前，在手機(jī)應(yīng)用電路中，通常需要通過(guò)升壓電路來(lái)驅(qū)動(dòng)閃光燈模組的LED或者是顯示屏背光的LED，并且通?？梢愿鶕?jù)不同情況下的需求，調(diào)節(jié)LED的明暗程度。一般的LED驅(qū)動(dòng)電路可以分成二種，一種是并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，采用電容型的電荷泵倍壓原理，所有的LED負(fù)載是并聯(lián)連接的形式；另一種是串聯(lián)驅(qū)動(dòng)，采用電感型DC-DC升壓轉(zhuǎn)換原理，所有的LED負(fù)載是串聯(lián)連接的形式。這類應(yīng)用電路中采用的升壓器件有體積小，效率高的優(yōu)點(diǎn)，而且大多數(shù)是采用SOT23-5L或者SOT23-6L的封裝，外加少量阻容感器件，占用電路板很小的空間。在此，結(jié)合具體器件的使用情況

2、，介紹這兩種升壓器件的工作原理和應(yīng)用。電容型的電荷泵倍壓原理的介紹以AnalogicTech公司的升壓器件AAT3110為例，介紹電容型的電荷泵升壓電路的工作原理和應(yīng)用。器件AAT3110采用SOT23-6L的封裝，輸出電壓4.5V，適用于常態(tài)輸出電流不大于100mA，瞬態(tài)峰值電流不大于250mA的并聯(lián)LED負(fù)載，具體應(yīng)用電路圖，如圖1所示。事先敘述一下有關(guān)兩倍升壓模式電荷泵的工作原理。AAT3110的工作原理框圖，如圖1、2所示，AAT3110使用一個(gè)開(kāi)關(guān)電容電荷泵來(lái)升高輸入電壓，從而得到一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓。AAT3110內(nèi)部通過(guò)一個(gè)分割電阻網(wǎng)絡(luò)取樣

3、電荷泵輸出電壓和內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較，并由此調(diào)節(jié)輸出電壓。當(dāng)分割電阻網(wǎng)絡(luò)取樣電壓低于內(nèi)部比較器控制的預(yù)設(shè)點(diǎn)(TripPoint)時(shí)，打開(kāi)雙倍電路開(kāi)關(guān)。電荷泵以兩個(gè)不重疊的階段循環(huán)開(kāi)關(guān)四個(gè)內(nèi)部開(kāi)關(guān)。在第一個(gè)階段，開(kāi)關(guān)S1和S4關(guān)閉并且S2和S3打開(kāi)，使快速電容器CFLY充電到一個(gè)近似等于輸入電壓VIN的電壓。在第二個(gè)階段，開(kāi)關(guān)S1和S4打開(kāi)并且S2和S3關(guān)閉。在第一階段時(shí)，快速電容器CFLY的負(fù)極接地。在第二個(gè)階段時(shí)，快速電容器CFLY的負(fù)極則連接到了VIN。這樣使得快速電容器CFLY正極的電壓就升高到了2*VIN，并且通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)連接到輸出。在每一個(gè)循

4、環(huán)階段，電荷從輸入節(jié)點(diǎn)VIN由較低電壓轉(zhuǎn)換成較高電壓。這個(gè)循環(huán)自己重復(fù)，直到輸出節(jié)點(diǎn)電壓足夠大以超越控制比較器的輸入閥值電壓。當(dāng)輸出電壓超過(guò)內(nèi)部預(yù)設(shè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，開(kāi)關(guān)循環(huán)停止并且電荷泵回路置于一個(gè)空閑狀態(tài)。在空閑狀態(tài)時(shí)，AAT3110有一個(gè)不大于13μA的靜態(tài)電流。AAT3110還內(nèi)置一個(gè)時(shí)鐘振蕩器當(dāng)作驅(qū)動(dòng)電荷泵的開(kāi)關(guān)信號(hào)，自由運(yùn)行的電荷泵開(kāi)關(guān)頻率在750kHz左右。上述表明AAT3110的整個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)包括了電壓感應(yīng)回路和控制比較器。此外，AAT3110還提供一個(gè)外部可調(diào)節(jié)的平衡電阻，調(diào)節(jié)相對(duì)應(yīng)的輸出電壓和輸出負(fù)載電流。在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)成有兩檔平衡電

5、阻可供調(diào)節(jié),具體電路如圖3所示。AAT3110驅(qū)動(dòng)四顆并聯(lián)的LED，SHDN_B為電源控制腳，控制IC的打開(kāi)和關(guān)閉，STROBE為閃光燈控制腳，控制閃光燈是否閃爍。R603是LED平衡電阻，R602為峰值電流調(diào)節(jié)電阻；當(dāng)STROBE為低電平時(shí)，NMOSFET關(guān)閉，LED通過(guò)R603接地發(fā)光，此設(shè)計(jì)為作手電筒功能時(shí)的狀態(tài)，SHDN_B為高電平，控制電荷泵工作，輸出4.5V的電壓，此時(shí)通過(guò)LED的電流為14mA*4,那么由公式計(jì)算，可得知R603的阻值約為22Ω。由于LED在導(dǎo)通后微小電壓變化會(huì)導(dǎo)致電流大幅變化，因此除了平衡外也有限流的作用。當(dāng)STROBE

6、為高電平時(shí)，NMOSFET打開(kāi)，此時(shí)電流通過(guò)R602構(gòu)成回路，每個(gè)LED瞬時(shí)脈沖電流50mA,進(jìn)入高亮度的閃光狀態(tài)，供拍照時(shí)使用，這種狀態(tài)不能長(zhǎng)時(shí)間保持，大概在200ms左右，應(yīng)當(dāng)關(guān)閉NMOSFET。電荷泵效率η可以簡(jiǎn)單的表示成一個(gè)線性穩(wěn)壓管，它有一個(gè)高效的電壓輸出可以達(dá)到輸入電壓的兩倍。效率η在理想的雙倍電壓下可以典型的表示成輸出功率除以輸入功率：。另外，在一個(gè)理想的雙倍電壓電荷泵中，輸出電流可以被表示為輸入電流的一半。效率η公式可以被寫(xiě)成：。一個(gè)輸出4.5V，實(shí)際輸入2.8V的電荷泵，理論上的效率是80.4%。由于內(nèi)部開(kāi)關(guān)損耗和IC靜止電流損耗，實(shí)

7、際的效率，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量可以達(dá)到79.6%。這個(gè)數(shù)據(jù)在一個(gè)大范圍的輸出負(fù)載條件下都可以得到認(rèn)可。但效率會(huì)因?yàn)樨?fù)載電流下降到0.05mA以下或者當(dāng)VIN逼近VOUT的時(shí)候而減少。器件外部電容的選擇也是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題，仔細(xì)的選擇三個(gè)外部電容CIN，COUT和CFLY是非常重要的，因?yàn)樗鼈儗⒂绊戦_(kāi)啟時(shí)間，輸出紋波和暫態(tài)表現(xiàn)。當(dāng)CIN，COUT和CFLY使用較低串聯(lián)等效阻抗(ESR<100mΩ)的陶瓷電容時(shí)將會(huì)獲得最適宜的性能。通常，低ESR電容定義為ESR值低于100mΩ的電容。如果需要一個(gè)特殊的應(yīng)用，低ESR鉭電容可以作為替代，然而不一定會(huì)達(dá)到最好的紋波輸出

8、。由于AAT3110固有的高ESR特性而不推薦使用鋁電解電容。一般在一個(gè)開(kāi)始點(diǎn)，當(dāng)AAT311