DCDC升压电路原理与应用.doc

精心整理DC-DC升压电路原理与应用目前，在应用电路中， 通常需要通过升压电路来驱动闪光灯模组的 LED或者是显示屏背光的 LED，并且通常可以根据不同情况下的需求，调节 LED的明暗程度一般的 LED驱动电路可以分成二种，一种是并联驱动， 采用电容型的电荷泵倍压原理， 所有的 LED负载是并联连接的形式； 另一种是串联驱动， 采用电感型 DC-DC升压转换原理， 所有的 LED负载是串联连接的形式 这类应用电路中采用的升压器件有体积小， 效率高的优点， 而且大多数是采用 SOT23-5L或者 SOT23-6L的封装，外加少量阻容感器件，占用电路板很小的空间在此，结合具体器件的使用情况，介绍这两种升压器件的工作原理和应用电容型的电荷泵倍压原理的介绍以 AnalogicTech 公司的升压器件 AAT3110为例，介绍电容型的电荷泵升压电路的工作原理和应用器件 AAT3110采用 SOT23-6L的封装，输出电压 4.5V ，适用于常态输出电流不大于100mA，瞬态峰值电流不大于250mA的并联 LED负载，具体应用电路图，如图1 所示事 先 叙述一下有关两倍升压模式电荷泵的工作原理。

AAT3110 的工作原理框图，如图1、 2所 示 ，AAT3110使用一个开关电容电荷泵来升高 输 入电压，从而得到一个稳定的输出电压AAT3110内部通过一个分割电阻网络取样电荷泵 输 出电压和内部参考电压进行比较， 并由此调节输出电压当分割电阻网络取样电压低于内部比较器控制的预设点 (TripPoint) 时，打开双倍电路开关电荷泵以两个不重叠的阶段循环开关四个内部开关在第一个阶段，开关 S1 和 S4关闭并且 S2和 S3 打开，使快速电容器 CFLY 充电到一个近似等于输入电压VIN 的电压在第二个阶段，开关S1和 S4 打开并且 S2和 S3 关闭在第一阶段时，快速电容器 CFLY的负极接地在第二个阶段时，快速电容器 CFLY的负极则连接到了 VIN这样使得快速电容器 CFLY正极的电压就升高到了 2*VIN ，并且通过一个开关连接到输出在每一个循环阶段，电荷从输入节点 VIN由较低电压转换成较高电压 这个循环自己重复，直到输出节点电压足够大以超越控制比较器的输入阀值电压当输出电压超过内部预设点标准时，开关循环停止并且电荷泵回路置于一个空闲状态在空闲状态时， AAT3110有一个不大于 13μA的静态电流。

AAT3110还内置一个时钟振荡器当作驱动电荷泵的开关信号，自由运行的电荷泵开关频率在750kHz 左右上述表明 AAT3110的整个闭环反馈系统包括了电压感应回路和控制比较器此外，AAT3110还提供一个外部可调节的平衡电阻，调节相对应的输出电压和输出负载电流在实际应用中，设计成有两档平衡电阻可供调节, 具体电路如图 3 所示AAT3110驱动四颗并联的 LED，SHDN_B为电源控制脚，控制 IC 的打开和关闭，STROBE为闪光灯控制脚，控制闪光灯是否闪烁 R603是 LED平衡电阻，R602为峰值电流调节电阻；当 STROBE为低电平时， NMOSFET关闭， LED通过 R603 接地发光，此设计为作手电筒功能时的状态，SHDN_B为高电平，控制电荷泵工作，输出4.5V 的电压，此时通过 LED 的电流为 14mA*4,那么由公式计算，可得知 R603 的阻值约为22Ω由于 LED在导通后微小电压变化会导致电流大幅变化，因此除了平衡外也有限流的作用当STROBE为高电平时， NMOSFET打开，此时电流通过精心整理R602构成回路，每个 LED瞬时脉冲电流 50mA,进入高亮度的闪光状态，供拍照时使用，这种状态不能长时间保持，大概在 200ms左右，应当关闭NMOSFET。

电荷泵效率η 可以简单的表示成一个线性稳压管，它有一个高效的电压输出可以达到输入电压的两倍效率η 在理想的双倍电压下可以典型的表示成输出功率除以输入功率：双倍电压电荷泵中，输出电流可以被表示为输入电流的一半另外，在一个理想的η 公式可以被写成：一个输出 4.5V，实际输入 2.8V 的电荷泵，理论上的效率是 80.4%由于内部开关损耗和 IC 静止电流损耗，实际的效率，通过试验测量可以达到79.6%这个数据在一个大范围的输出负载条件下都可以得到认可但效率会因为负载电流下降到0.05mA以下或者当 VIN 逼近 VOUT的时候而减少CIN， COUT和 CFLY是非器件外部电容的选择也是一个关键的问题，仔细的选择三个外部电容常重要的，因为它们将影响开启时间，输出纹波和暂态表现当CIN，COUT和 CFLY使用较低串联等效阻抗 ( ESR<100mΩ ) 的陶瓷电容时将会获得最适宜的性能通常，低 ESR电容定义为 ESR值低于100mΩ 的电容如果需要一个特殊的应用，低ESR钽电容可以作为替代，然而不一定会达到最好的纹波输出由于 AAT3110固有的高 ESR特性而不推荐使用铝电解电容。

一般在一个开始点，当AAT3110使用在最大输出负载条件下 ,CIN 和 COUT电容值可以选择 10μF，CFLY为 1μF在较轻负载应用时，CIN，COUT和 CFLY可以使用较低的值 因此，CIN 和 COUT的范围可以是从轻负载的1μF到重负载的 10μF CFLY可以从 0.01μF到 2.2 μF 或者更多如果 CFLY增加， COUT将要以相同比率增加来减少纹波输出 一个基本的规则就是， 建议 CIN，COUT和 CFLY之间的比例近似为 10:1 降低 CIN， COUT和 CFLY 值的后果就是输出纹波的增加总而言之，如果外部电容值严重偏离了CIN=COUT=10μF和 CFLY=1μF这个级数值，那么 AAT3110的输出性能将无法保证顺带叙述一下电容器的特性在所有种类的电容器中，强烈推荐陶瓷合成物电容器结合AAT3110使用陶瓷电容器相对于相同容值的钽电容和铝电解电容有许多优点陶瓷电容器一般都有非常低的 ESR值，低成本，拥有一个小 PCB封装并且没有极性 低 ESR将最大可能的帮助电荷泵减小暂态响应因为陶瓷电容器没有极性，所以它们不会导致连接损坏 ESR值是一个选择电容器时的重要指标。

陶瓷电容器 ESR的典型值一般在几个 mΩ 到数十 mΩ 这个级数，在钽电容或者铝电解电容中 ESR的典型值可以达到数百 mΩ 甚至几欧姆ESR是电容器固有的一个内部阻抗，主要取决于电容器尺寸和面积，电容器的化合材料以及周围温度陶瓷电容器材料的应用情况：低于 0.1 μF 的陶瓷电容器通常材料是 NPO和 COGNPO和COG材料通常拥有精确的公差并且受温度影响不大大电容值通常使用 X7R、X5R、Z5U或者 Y5V绝缘体材料大的陶瓷电容器，一般指电容值大于 2.2 μF，通常可以使用低成本 Y5V和 Z5U绝缘体，但是大电容器不属于 AAT3110应用范围电容器面积是另外一个导致 ESR的问题，相比同样材料的精心整理一些电容器， 大尺寸的电容器将会有低 ESR值相比较小封装的等值电容器来说， 这些较大器件可以改善回路暂态响应， 但是将给缩小空间带来更大的压力， 设计中可以综合考虑， 选择合适的一个折衷值如何减少输出纹波？电荷泵输出纹波的振幅和频率是由许多因素决定的， 如电容 COUT和 CFLY 的值，负载电流 IOUT和输入电压 VIN 的级别就 VIN 来说，加大 VIN 可以增加电荷泵从输入到输出端传递电荷的能力。

但是，输出纹波的峰峰值也会增加 COUT和 CFLY的值和类型都对输出纹波有影响因为输出纹波与电容的 R/C 充电时间常数相关联， 电容值和 ESR值都将会对电荷泵输出纹波有作用这就是为何推荐在电荷泵应用中使用低 ESR电容的原因试验数据表明，输出纹波在VIN=3.0V， VOUT=5.0V，COUT=10μF和 CFLY=1μF时不会大于 30mVP-P当 AAT3110在 IOUT<10mA的轻负载条件下应用的时候，快速电容器 CFLY的值应该相应减少这种做法的原因是，当电荷泵工作在非常轻的负载下，通过CFLY传递的电荷比在每个开关循环阶段要多结果是在电荷泵输出看见较高的纹波消除这个影响可以通过减少 CFLY的值来达到减少 CFLY的值需要谨慎 如果因为 CFLY的减少导致输出负载电流增加到名义值以上， 电荷泵的效率则会受到影响 减少纹波输出的方法有很多种， 主要取决于给定应用的需要 最简单而且直接的方法就是增加 COUT电容的值一般 COUT电容的值可以由 10μF增加到 22μF或者更多较大的 COUT 电容（ 22μF及更多）生来就具有低 ESR值并且可以改善电荷泵高频和低频器件的输出纹波响应。

如果在 COUT处使用一个更大值的钽电容来降低低频纹波，一个小的低ESR陶瓷电容可以并联加在钽电容旁（如图 4）这样做是因为一般钽电容的ESR值比等价陶瓷电容的要高，减少高频元件的输出纹波能力较低 唯一使用大容量COUT电容的缺点就是AAT3110 装 置开启时间和涌入电流有可能增加当然，钽电容的价格也比相同容量的陶瓷电容要贵如果需要额外的纹波减少，则可以在 COUT处给电荷泵增加一个R/C 滤波器来减少纹波输出（如图 5）R/C 滤波器可以根本上削弱输出纹波R/C 滤波器的低频断点将主要取决于电容值的选择关于 AAT3110印刷电路板布局的一些建议由于电荷泵的高开关频率和大峰值暂态电流的存在， 在设计印刷电路板必须适当做些考虑， 避免 AAT3110的外围电路干扰其他电路特别是应该尽量远离给 CMOSSensor供电的 LDO及CMOSSensor等器件通常在电荷泵升压电路的应用规则中， 所有外部电容必须尽可能靠近电荷泵器件， 并且引线尽可能短， 电源输入输出的引线还要求尽可能粗尽可能最大化AAT3110附近的接地面，并且确定所有外部电容都直接连接到接地面上如果由于布局的限制，不可能满足上述接地要求，则应该保证使用大的或者若干过孔来进行良好的接地连接。

电感型 DC-DC升压转换原理的介绍以MonolithicPowerSystems(MPS) 公压器件 MP1518为例，介绍电感式路的工作原理和应用 器件 MP1518用 SOT23-6L 的封装，适用于 LED形式，电流在 10mA到 20mA的负载，用电路图，如图 6 所示事先叙述司的 升。