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【技术帖】升降压原理浅析

2023-03-14



在消费类电子和家电市场等领域,为了实现更复杂的产品功能,需要多类型芯片、模组、最小系统等一起配合。然而,各模块工作电压会有差异,故就需要对电压进行转换,因此就衍生出升压和降压芯片,这类产品统称为DC-DC电源芯片。


升降压分类

1. 开关型

通常有升压、降压、降压-升压等拓扑结构。

在每一个开关周期内,交替地将能量从电源传递到电感和电容,从而通过储能元件(电感)将输入能量传递到输出端。


2. 线性稳压型


即LDO,只用在降压转换结构中。

内部功率管工作在线性区,通过线性调整内部功率管,确保输出电压Vout为参考电压Vref达到某个预置的比例值。

3. 电荷泵

常用于倍压电路中,有正压和负压转换。

在电能转换的过程中,仅使用了电容器件。

以j9九游会真人游戏第一品牌Smart K音频PA AW873XX为例,其配备1.5倍/2倍Charge-pump电荷泵升压模块,LCD Bias AW3750x 负压的产生,也使用了电荷泵的电源模块。

工作原理

这里对常用的升降压和LDO做原理介绍。

1. 开关升压电路

为了解Boost电路原理,九游会J9·(中国)真人游戏第一品牌以常规非同步升压为例,讲述BOOST电路的工作方式,下图为BOOST电路的基本架构(若把二极管换成MOS管,则构成同步升压架构):


1. 当开关S1闭合时,Vin给电感L1充电,见绿色充电路径,充电时间 = 占空比D*开关周期T。

根据电感的伏安特性关系,  ,其中  是电感电流的变化量, 是电感电流变化持续的时长。



是充电时电感电流的变化量
是电感充电时长


2.当开关S1断开时,电感中的能量会通过二极管给负载放电,见红色放电路径,与此同时,Vin也会通过二极管给负载放电,两个电压叠加到Vout实现升压,放电时间:

=(1-占空比D)*开关周期T 


是放电时电感电流的变化量

是电感放电时长


3.一个开关周期内,充电和放电的电流变化相同,系统才能稳定


结合1和2,得公式:


由于D<1,得Vout>Vin,实现升压。

升压过程本质是电感能量传递的过程,开关S1重复进行通断操作,会使得输出端既可以得到一个高电压,又可以保持一个持续的稳定电流。

2. 开关降压电路

降压电路也称BUCK电路,常规的非同步BUCK电路由电感、二极管、开关、电容组成,对于非同步buck电路,也可以理解为电路有一个开关,通过不断开启和关闭,由二极管对电感续流放电,如下图:


1.当开关S1闭合时,Vin给电感L1充电,见绿色充电路径,电感电流不断增加,加在电感两端的电压是,和升压是相同的计算方法,



是充电时电感电流的变化量

是电感充电时长

2.当开关S1断开时,由于电感上的电流不能发生突变,此时反向的二极管派上用场,为电感的放电提供了路径,见红色放电路径,这里二极管也称续流二极管,放电时长:

电感放电能量为:




是放电时电感电流的变化量
是电感放电时长
3.BUCK同BOOST一样,工作本质都是对电感的充放电过程,BUCK稳定之后,电感的充放电电流是相等的。


结合1和2,得公式:

由于D<1,得Vout<Vin,实现降压。

3. LDO

通常LDO内部由PMOS管组成,由于先天条件的不足,输入电流和输出电流是相等的,LDO输入和输出会产生的压差,这部分压差和电流会产生一定的功耗:


这部分功耗都会体现在LDO发热上,故LDO效率都比较低,过电流能力也相对较小。

当然也有NMOS管架构的LDO,以适用较大电流低压差的应用场景。下面着重对PMOS管架构LDO的工作原理进行简单介绍。

LDO主要由功率MOS管、运放、基准电压和反馈电阻组成。

主要工作流程是Vout电压通过分压电阻分压,分得的电压和基准电压Vref进行比较,通过运放比较后,输出的电压来控制PMOS栅极,增加PMOS输出电流,从而提升Vout输出,见如下红色路径:


那么,LDO是如何稳定输出电压的呢?当LDO负载变化时,VOUT会随之降低,两个电阻R1、R2分压的电压也会降低,和运放比较后,运放的输出电压也随之下降,从而PMOS管栅极电压Vg降低,由于VIN不变,Vgs电压会增加,从而提高PMOS的输出能力,输出电流的增加,就会让VOUT再度上升,从而使VOUT一直保持平稳的输出。

优劣势

上面讲述了开关电路(BOOST电路、BUCK电路)和线性稳压器LDO的基本工作原理,但是什么时候用开关电源,什么时候用线性电源呢?这就要从工程师所关注的性能指标来综合决定了:输出电流、温升情况、开关噪声、外围器件、效率、价格等。




为了覆盖不同的客户需要,j9九游会真人游戏第一品牌推出了一系列具备不同性能指标的升降压产品,包括Boost、Buck及LDO芯片,适用于手机、平板、穿戴电子设备、各类NB-IoT等应用。无论是客户关注的电流、占板面积还是温升、外围元件等特性,j9九游会真人游戏第一品牌的产品总有一款可以符合客户需求。

j9九游会真人游戏第一品牌升降压产品及应用场景

1. Boost

Boost多用在电池供电的低压产品中,如手机/平板的USB OTG、穿戴产品监测模块供电等。

在j9九游会真人游戏第一品牌Digital Smart K、Smart K、高压马达驱动等产品中,也都能看到电感升压和Charge Pump升压产品的身影。

j9九游会真人游戏第一品牌BOOST主推型号

以j9九游会真人游戏第一品牌明星Boost产品AW36099系列为例,其是一款静态电流仅为1uA的高效率超低功耗同步升压转换器。适用于一切采用碱性电池、镍氢电池、锂锰电池、锂亚电池及其它可充电锂离子电池供电的电子设备,特别是对电池使用时间及寿命有较高要求的便携及可穿戴电子设备、各类NB-IoT应用等。

AW36099系列有CSP和DFN两种封装形式,有可调输出版本,同时也有2.5V、3.0V、3.3V、3.6V、4.5V、5.0V固定电压输出版本,方便工程师灵活选择,典型应用电路如下:

2. Buck

为适配更完善的降压方案,j9九游会真人游戏第一品牌BUCK产品有常规2A/3A输出电流的降压芯片,同时也配备了专给射频PA供电的APT BUCK,其工作电压低、输出电流高成为一大亮点。

j9九游会真人游戏第一品牌BUCK主推型号

针对NB-loT系统方案,j9九游会真人游戏第一品牌有专为射频PA供电的APT Buck。射频系统正常工作时,BB根据RF PA的发射功率配置它的供电电压,RF PA的发射功率强时,供电电压高,RF PA的发射功率弱时,供电电压低。

AW37416/37426根据BB给出的控制信号实时调整输出电压,实现APT功率追踪,动态调整PA供电电压,降低不必要的功率损耗,最终实现系统效率最佳化,可参考如下基本应用框图:



为了更加契合产品应用,j9九游会真人游戏第一品牌即将推出APT Buck-Boost产品,该新品采用Charge Pump+Buck的架构实现自动升降压功能,拥有95%的超高效率,MIPI2.0接口加持,并支持OVP、 OTP、OCP等输入输出保护,支持同时为后级2个PA供电,更加拓展了Buck-Boost产品的适用性,敬请期待!

3. LDO


在常规电子类产品中,低电压小电流的系统日益增多,LDO在电子系统中随处可见。


j9九游会真人游戏第一品牌LDO主推型号

j9九游会真人游戏第一品牌LDO产品系列非常丰富,覆盖从300mA到1200mA输出电流的应用。300mA和500mA输出电流档位的LDO有SOT23-5L的常规封装,同时也有DFN1X1的超小封装,节省PCB摆件面积;大电流1A输出的LDO以及转给Camera供电的4通道PMIC,拓展了LDO的应用场景。

j9九游会真人游戏第一品牌AW37030和AW37050系列具备高PSRR(90db)和低Noise(33uV)的特性,为常规Camera供电带来了福音,多样化的输出电压(1.1V-3.3V)也是其一大亮点。

主打超低功耗的AW37103系列为纠结功耗工程师们带来了答案,超低的静态功耗(2uA)是其最大的亮点,兼备了固定输出电压版本(0.8V-3.3V)和可调输出版本。


AW3707/AW3710系列,主打大电流输出,同时具备可调输出和固定输出版本,其独特的封装在芯片散热上具有明显的优势。

有“电”的地方就有j9九游会真人游戏第一品牌芯


为了满足各种应用场景,j9九游会真人游戏第一品牌电产品线致力于打造成一家IC超市——j9九游会真人游戏第一品牌之“店”。除了上述芯片产品,j9九游会真人游戏第一品牌电源管理芯片产品还包括功率转换器件(LDO/DCDC)、功率路径和信号路径防护器件(OVP/OCP)、充电芯片(Linear/Switch/Charge Pump)及多种规格的MOS产品。产品种类一应俱全,覆盖多场景、多应用的需求。

凭借丰富的种类、优异的性能、卓越的品质、高可靠性、响应快速的销售和客户支持团队五大优势,j9九游会真人游戏第一品牌现已为Meta、比亚迪、谷歌、Garmin等众多工业、汽车、新智能硬件领域的品牌厂商提供优质的电源解决方案。


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作为国内高性能混合信号、电源管理、信号链的主要供应商之一,j9九游会真人游戏第一品牌本着“客户需求是j9九游会真人游戏第一品牌存在的唯一理由”的核心价值观,紧跟行业变革,紧贴市场需求,持续探索各领域电源应用全方位解决方案,以优质可靠的产品为行业、为市场带来更多技术呈现,为用户打造更舒适、更安全的电子设备体验,让更多人注意到——有“电”的地方,就有j9九游会真人游戏第一品牌芯!