使用具有真正負(fù)載斷開(kāi)功能的經(jīng)濟(jì)高效的升壓電源經(jīng)驗(yàn)

1.前言

快速增長(zhǎng)的消費(fèi)電子市場(chǎng)為升壓轉(zhuǎn)換器帶來(lái)了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。巨大的體積促使市場(chǎng)對(duì)成本非常敏感，因此我們需要在解決方案成本和性能之間進(jìn)行權(quán)衡。

2.需要真正的負(fù)載斷開(kāi)功能

升壓轉(zhuǎn)換器沒(méi)有用于負(fù)載斷開(kāi)的本地機(jī)制。即使在升壓轉(zhuǎn)換器未運(yùn)行時(shí)，同步場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 的整流二極管或體二極管也會(huì)將電池電壓傳遞給負(fù)載。這會(huì)導(dǎo)致電池持續(xù)放電，即使泄漏電流可能很小。

許多應(yīng)用需要在電路不工作時(shí)完全斷開(kāi)負(fù)載并消除電池電流泄漏。例如，電動(dòng)剃須刀中的升壓轉(zhuǎn)換器只需在使用時(shí)運(yùn)行，即可為 LED 背光和電機(jī)提升電池電壓。由于電動(dòng)剃須刀大部分時(shí)間處于關(guān)閉狀態(tài)，因此斷開(kāi)負(fù)載（本示例中的 LED 背光和電機(jī)）可以避免耗盡電池電量并延長(zhǎng)剃須刀在充電或更換電池之間的服務(wù)時(shí)間。

顯然，具有集成負(fù)載斷開(kāi)功能的升壓轉(zhuǎn)換器是一種解決方案，但這種器件的成本遠(yuǎn)高于沒(méi)有這種器件的轉(zhuǎn)換器。這是因?yàn)楸仨毷褂帽硨?duì)背連接的兩個(gè)高側(cè)功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 或可以關(guān)閉 FET 主體的單個(gè)功率 MOSFET 來(lái)實(shí)現(xiàn)真正的負(fù)載斷開(kāi)二極管。這兩種實(shí)現(xiàn)方式都會(huì)大大增加升壓轉(zhuǎn)換器集成電路 (IC) 的成本。相比之下，具有外部負(fù)載隔離開(kāi)關(guān)的 TPS61322xx 等升壓轉(zhuǎn)換器提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。

3.真正的負(fù)載斷開(kāi)配置選項(xiàng)

我們可以通過(guò)在升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電源路徑中放置一個(gè)外部開(kāi)關(guān) Q1 來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載斷開(kāi)功能，如圖 1 所示。 機(jī)械開(kāi)關(guān)、p 溝道 FET、p 溝道 n 溝道 p 溝道 (PNP ) 晶體管、n 溝道 FET 或 n 溝道 p 溝道 n 溝道 (NPN) 晶體管可用作斷路開(kāi)關(guān)。

一種流行的選擇是機(jī)械開(kāi)關(guān)，它不需要任何額外的控制邏輯電路，但失去了由系統(tǒng)微控制器 (MCU) 控制的能力。不過(guò)，固態(tài)半導(dǎo)體器件更易于控制和穩(wěn)健。P 溝道或 n 溝道 FET 通常優(yōu)于 PNP 或 NPN 晶體管，因?yàn)楹髢烧呦倪B續(xù)的基極電流來(lái)驅(qū)動(dòng)。

在 n 溝道 FET 和 p 溝道 PFET 之間，n 溝道 FET 的 R DS(on) 小于相同尺寸的 p 溝道 FET 的一半，并且也更便宜。但是，為 n 溝道 FET 設(shè)計(jì)印刷電路板 (PCB) 布局具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)?span>我們必須使用它來(lái)斷開(kāi)接地路徑。請(qǐng)?zhí)貏e注意這些系統(tǒng)中的接地布線。一些應(yīng)用禁止中斷接地布線，因?yàn)榻拥負(fù)p壞會(huì)使負(fù)載電路帶電，這可能是一個(gè)很大的風(fēng)險(xiǎn)。

圖 1：通過(guò)機(jī)械開(kāi)關(guān)斷開(kāi)負(fù)載

另一種流行的解決方案是在電源路徑的高端使用 p 溝道 FET，它不會(huì)中斷系統(tǒng)接地布線。圖2所示為MCU供電電壓高于電池電壓時(shí)的電路配置，MCU直接控制主開(kāi)關(guān)Q1。如果 MCU 的電源電壓低于電池電壓，通用輸入/輸出 (GPIO) 電壓將不足以成功關(guān)閉 Q1。解決方案是使用圖 3 所示的配置，其中引入一個(gè)小型 n 溝道 FET 或 NPN 晶體管 (Q2) 有助于控制 Q1。

圖 2：通過(guò) p 溝道 FET 斷開(kāi)負(fù)載，V_MCU > V Battery

圖3 ：p 溝道 FET 斷開(kāi)負(fù)載，V_MCU < V Battery

如果不考慮接地布線，n 溝道 FET 或 NPN 晶體管可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載斷開(kāi)功能，如圖 4 所示。這種方法比 p 溝道 FET 配置更簡(jiǎn)單，MCU 直接控制 Q1。

圖4 ：通過(guò) n 溝道 FET 斷開(kāi)負(fù)載

4.開(kāi)關(guān)注意事項(xiàng)

選擇合適的負(fù)載隔離開(kāi)關(guān)非常重要。與 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的 MOSFET 不同，負(fù)載隔離開(kāi)關(guān)可以打開(kāi)或關(guān)閉，無(wú)需頻繁切換。因此，隔離開(kāi)關(guān)的柵極電荷 Qg 和寄生電容不是元件選擇的主要問(wèn)題。不過(guò)要注意兩點(diǎn)：

· 開(kāi)關(guān)的額定電壓應(yīng)高于電池電壓。

· 通過(guò)在最大負(fù)載下允許大約 1% 的總解決方案效率損失來(lái)評(píng)估Q1的 R DS(on)。使用公式 1 和 2 計(jì)算隔離開(kāi)關(guān)的功率損耗：

其中 IIN RMS是輸入電流的均方根 (RMS) 值，R DS(on)是開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻。

例如，選擇 R DS(on) < 25mΩ的 MOSFET在 500mA 負(fù)載下進(jìn)行 3V 至 5V 轉(zhuǎn)換會(huì)導(dǎo)致總效率損失約 1%。柵極閾值應(yīng)小于最小電池電壓，以保證在整個(gè)電池電壓范圍內(nèi)工作。Q1 應(yīng)支持啟動(dòng)期間的浪涌電流，在此期間電池將對(duì)輸入和輸出電容器充電，除Q1的 R DS(on)和升壓轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部同步 FET外，沒(méi)有太多限流因素。該浪涌電流不僅與 Q1 柵極電壓的壓擺率有關(guān)，還受輸入和輸出電容器的影響。

5.檢測(cè)結(jié)果

我使用 TPS613222ADBVR（一個(gè)固定的 5.0V 輸出電壓升壓轉(zhuǎn)換器）進(jìn)行了測(cè)試。條件為 V IN = 1.8V、2.7V、3.6V、4.2V，L = 2.2μH。

如圖 5、6 和 7 所示，帶有和不帶有負(fù)載斷開(kāi)開(kāi)關(guān)的電路之間的效率差異非常小。最壞的情況是在低 V IN條件下的重負(fù)載情況下，因?yàn)槿绻?/span> V IN < 1.8V，Q1 將沒(méi)有足夠的柵極電壓來(lái)完全驅(qū)動(dòng) FET。R DS(on)會(huì)增加并損害效率。

圖5 ：TPS613222A 沒(méi)有負(fù)載斷開(kāi)開(kāi)關(guān)的效率

圖6 ：TPS613222A 效率與 n 溝道 FET 斷路開(kāi)關(guān)（FDN337N，R DS(on) = 82mΩ，V GS = 2.5V）

圖7 ：TPS613222A 效率與 p 溝道 FET 斷路開(kāi)關(guān)（FDN306P，R DS(on) = 50mΩ，V GS = -2.5V）

6.結(jié)論

像 TPS613222A 這樣的器件為需要真正負(fù)載斷開(kāi)功能的應(yīng)用提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。