如何設計升壓調壓器

在這一系列的文章中，我們將研究在電子項目中可能使用的主要類型的功率調節器和轉換器的設計和實現。我給了一個研究生工程師一系列的要求，我指導他演示了每一種類型，并在這里記錄了結果，這樣你就可以通過同樣的練習，希望得到同樣的結果。

對于下一個開關電源項目，從我的項目想法為學生工程師文章，要求有點不同。這一次，我的研究生工程師不得不設計一種可以提高電壓的電壓調節器。對于這類任務，可以說，最流行的設計選擇是使用DC-DC升壓變換器。

我對這個設計的要求是：

• 輸入電壓1.0~3.5V

• 輸出電壓5.0 V

• 輸出電流100mA

你會看到，DC-DC升壓轉換器的拓撲結構與buck變換器不同，而且大多數情況下，它們與電池供電的設備一起使用。大多數情況下，電池所能提供的電壓不足以為大多數集成電路供電，因此需要提高電壓。

一個最常見的例子是當你需要使用一個或兩個非常常見的AA，AAA大小的電池，或者可能是單電池鋰離子或鋰聚合物電池。通常，您設計的集成電路需要5伏直流電源才能正常工作。一個簡單的齊納二極管或串聯或并聯線性穩壓器將能夠做到這一點。

開關升壓電源的目的是當設備由單個AA、AAA、AAAA、B、C或D尺寸的電池或兩個這樣的電池串聯供電時，能夠提供5v的輸出電壓。這些電池通常每個電池提供1.5伏電壓，當兩個電池串聯時提供3伏電壓。由這種電池供電的設備不會使用大量的電流，因此具有100毫安的輸出電流能力應該足以滿足大多數典型應用。

一個DC-DC升壓調節器IC是我的研究生工程師在我的監督下精心挑選的。所選DC-DC升壓調節器IC為模擬器件LTC3429。

LTCDC-3429升壓調節器

LTC3429組件是一種高效率的500kHz可調輸出電壓升壓轉換器。該變換器規定的工作輸入電壓范圍為0.5V～4.4V，與設計規定的輸入電壓相匹配。該調節器的輸出電壓可從2.5伏調節到4.3伏。然而，如果增加一個肖特基二極管，輸出電壓可以增加到5v。

選擇這種特殊的升壓調節器是因為它對指定的輸出電流（高達96%）具有很高的效率。但缺點是，這種調節器可能相當昂貴，訂購少量產品時單價只有幾美元。這種調節器也可以從Farnell、Mouser、Arrow等公司獲得，大部分的模擬器件集成電路價格都比較高；然而，他們的產品質量很高，我相信這使投資是值得的。

此外，您還將看到該調節器具有有用的附加功能，例如：

1. 低壓啟動-此調節器可在電源電壓低至0.85 V時開啟。這意味著，如果電源電池放電至低于0.85 V，則該調節器有可能無法啟動。然而，我們的設計要求最小輸入電壓為1V，這已經足夠了。

2. 軟啟動-此功能可防止調節器在電源（電池）連接到設備時開啟輸出電壓2.5毫秒。這種軟啟動功能允許調節器的振蕩器在開始作為開關電源工作之前穩定在正確的頻率。

3. 防振鈴控制-此功能可防止SW引腳發生高頻振鈴，從而將調節器產生的EMI降至最低。

4. 短路保護-此功能允許電路短路而不損壞調節器。它立即以關閉集成電路的方式對內部電容放電，從而保護調節器和電路。

你會看到，原理圖的設計不像大電流DC-DC buck控制器那樣具有挑戰性，它能夠輸出6 A。這種設計是針對低電流電池供電的應用，因此元件選擇沒有那么嚴格。您可以從下面的數據表中看到電路設計建議：

DC-DC升壓變換器LTC3429方案設計

大多數的設計決策都是直接從原理圖中做出的。

作為第一步，使用數據表中提供的以下公式計算輸出電壓反饋電阻器：

選擇高電阻值以確保輕負載下的良好效率。

反饋電阻值與效率的關系

值為255 k? 選擇R2，然后使用下面的公式計算R1電阻的值。

由于這不是一個標準的分量值，一個更典型的768K? 選擇R1電阻的值。

輸出電壓反饋電阻器

在本設計中，輸入和輸出電容選擇的可變性較大。由于輸入和輸出的電流都不高，電容器的最大電流值并不重要。

應使用低電阻多層陶瓷電容器以減小輸出紋波。建議使用標記為X5R或X7R的電容器。對于大多數應用，輸出電容值在4.7 uF到15 uF之間就足夠了。選擇了電容值為22 uF的輸出電容器，因為它是提供極低輸出電壓紋波和改善瞬態響應的推薦值。

對于輸入電容器的選擇，還需要一個低ESR電容器，以最小化任何輸入開關噪聲，并減少從電池消耗的峰值電流。由于這種電池以其低噪音而聞名，一個10毫伏的電容器幾乎可以滿足任何應用。

請記住，輸入電容器的直流電壓額定值可以低至4V或6.3V，因為輸入電壓相對較低。但是，建議輸出電容器使用至少兩倍的直流電壓額定值。陶瓷電容器具有直流偏壓效應，在特定電壓下可以顯著降低電容。

使用數據表中提供的下圖獲取電感器值：

基于90%效率的最大輸出電流與電感

我們選擇了一個相當高的電感為22uh的電感器，因為我們想在所需的輸出電流下保持調節器的效率。

選擇的電感器是TDK通用電感器，SLF7032T-220MR96-2PF元件，能夠處理所需的輸出電流，即使是小批量購買，成本也很低。

至于肖特基二極管，它需要產生所需的5V輸出電壓，選擇了數據表建議中確定的半導體上的MBR0520L元件。這種二極管沒那么貴，幾美分就能買到。

反向關機引腳（SHDN）必須拉到VIN，因為我們沒有任何外部控制器或管理IC來控制調節器。我們希望它能工作時，任何電源在可接受的輸入電壓范圍內被應用。

選擇的連接器是伍爾特公司0022722021。這些都是便宜的和相當實用的，因為你不能把它們錯誤地連接起來。

Wurth Electronik 002272021連接器

但是，您可以選擇任何您喜歡的連接器。作為設備設計的一部分，你可以使用這些電池插座，這意味著你的電池已經串聯起來了。有1個，2個，3個或4個電池的插座（如果需要的話，甚至更多），每個插座都要幾美分。

電池插座示例

下面您可以看到完全設計的LTC3429升壓轉換器原理圖。

LTC3429升壓轉換器原理圖。

至于PCB設計，目標是實現盡可能短的電流回路。參考數據表提供的以下設計：

數據表中的PCB布局

首先，元件放置是為了確保緊湊的PCB設計，并實現較小的電路板面積，因為這是針對低電流應用的。

PCB元件放置

作為第二步，PCB被手動布線以仔細跟蹤電流回路。這有助于您了解當前環路的設計是否可以改進：

PCB手動布線

第三步，將多邊形和平面添加到設計中：

添加多邊形的PCB頂層設計

添加多邊形的PCB設計底層

PCB設計上顯示的輸入和輸出電流回路：

最后，完成的緊湊型DC-DC升壓變換器的三維設計：

在這些電子設計課程中，升壓轉換器的設計是一個新的步驟。許多設備，特別是便攜式和電池供電的設備，使用升壓轉換器將電源電壓提高到集成電路供電所需的水平。大多數集成電路在僅提供1.5V或3V電壓時無法維持其工作。

乍一看，這似乎是一個相對簡單的設計，但仍有一些因素需要設計師考慮。市場給了設計師從成千上萬個不同的升壓轉換器中選擇的能力，所以選擇正確的一個可能并不容易。

如您所見，boost變換器的拓撲結構也與buck變換器有很大的不同。PCB的設計也會有所不同。然而，從根本上考慮是相同的；設計者需要盡量使輸入和輸出電流回路盡可能短，以減少電源輻射的電磁干擾。

由于有更多不同的開關調節器拓撲可能，這一個將是下一步的電源設計。