标签: 升压转换器

现代智能物联网 (IoT) 设备要求长期在线，但意外断电却时有发生，这就需要采用备用电源实现安全断电或保持通信不断。例如，等窄带(NB-IoT）可通过射频接口提供关于断电的时间、地点和持续时间的详细信息。 本备用电源方案使用TPS61094降压/升压转换器和一款超级电容器，可在正常和备用供电之间进行无缝切换，支持多次断电而无需维护，可用于燃气表、水表，便携式医疗设备，以及能量收集用途。 方案特点 随时间推移，不同NB-IoT操作模式下的电流消耗不同。在数据传送模式下峰值为310mA，持续1.32s，负载在不同的操作模式下也显著变化。整个过程的平均电流消耗为30mA，持续80s – 负载在此期间需要容量足够的备用电源并在主电网突然断电时进行无缝电源切换。 TPS61094双向降压/升压转换器具有60nA静态电流(IQ)，可实现可靠且简单的单芯片备用电源设计，无需额外电路即可实现超级电容器充电和放电功能。 当系统电源接通时，TPS61094进入Buck_on模式，为超级电容器提供500mA的恒定电流，并在超级电容器两端电压为2.5V时停止充电。VSYS直接为VOUT供电。当断电导致VSYS下降时，TPS61094会自动进入Boost_on模式，并通过超级电容器中存储的电荷为VOUT供电。 当系统功率突然下降时，TPS61094立即进入Boost_on模式，并利用超级电容器的功率调节 VOUT。降压/升压转换器在254.5s内提供所需的输出电流，可处理11.5次NB-IoT事务。TPS61094对超级电容器放电，直到其电压降至0.7V进入关断模式，并等待系统VIN恢复。在Buck_on模式下，TPS61094以恒定电流为超级电容器无缝充电。主要特点如下： 器件IQ：0.06uA 完整性：高 超级电容器配置：1S 3.3V VOUT的平均最大输出电流：300mA VIN范围：0.7-5.5V VOUT范围：2.7-5.4V 芯齐齐BOM分析 本方案高集成度、简单设计和卓越的轻负载效率。核心元件TPS61094是具有超级电容器管理的60nA IQ升压转换器，可为智能仪表和超级电容器备用电源应用提供电源解决方案。器件具有丰富的保护特性，输出短路保护，热关断保护，采用12引脚2mm×3mm WSON封装。 超级电容器Csup可以为备用电源，相当于一个电池，容量为35F，容差尽量上偏即+30/-10%。电感器L1采用屏蔽型，容量4.7uF的表贴类型。

          升压DC/DC转换器如何对其输出电压进行整流？         通常，输出上的电阻分流器将部分输出电压反馈至误差放大器。该放大器将反馈电压与一个稳定参考电压进行比较。参考电压与反馈电压之间的差异将引起PWM负载周期的变化，以使转换器维护恒定输出电压。         升压转换器电感器的选择标准如何？          随着开关的打开和闭合，升压电感器会经历电流纹波。如果电流摆动超过其平均值的±20%，就要考虑对电感进行优化。电感过大将要求使用大得多的电感器，而电感太小将引起更大的开关电流，特别在输出电容器中，而这又要求更大的电容器。        升压转换器IC中输出二极管的选择标准如何？        该二极管必须具有与输出电压相等或更大的反向额定电压。其平均额定电流必须比所期望的最大负载电流大得多。其正向电压降必须很低，以避免二极管导通时有过大的损耗。此外，当从导通状态到非导通状态时，需要很快恢复。肖特基二极管(而非传统的超快速二极管)具有更低的正向电压降和极佳的反向恢复特性，所以它们对于低压升压应用都是不错的选择。         如何选择升压转换器IC的输入电容器？         升压转换器在其输入具有三角电流波形，所以要求输入电容器对此解耦并因此减少输出电压纹波。否则，它将产生过大的电磁干扰(EMI)和噪声，它可逆流传播并引起对其他电路问题。大电容也对应付突然的线路和负载变化有所帮助。         升压转换器中输出电容器有何作用？         至输出电容器的电流具有带有大高频谐波含量的锯齿梯形(choppy trapezoidal)波形。通过电容器的输出电流的RMS值也比输入大得多。因而，应采用低等效串连电阻(ESR)电容器，如陶瓷、聚合电解材料，或低ESR钽材料电容器。较高的ESR电容器要求更仔细研究转换器的频率补偿。         升压转换器有何布局考虑？          为适当解耦，要将输入电容器适当靠近转换器。减小线迹连接，特别是输出电容器和二极管，以减少噪声尖峰和EMI。使输出反馈电阻和至反馈引脚的线迹远离的电磁场源，如电感器、开关和二极管等。

            升压转换器转换节点的振铃最小化

亲爱的Fred，我可以称呼你Fred吗？(编者按：FAE博士的全名是Fred A. Engleberry博士) 我想你不会介意。你能帮我一个忙吗？我正试图稳定一个升压转换器，但是，它就是跟我三岁大的女儿没有两样。我女儿活泼好动，不守规矩，我的升压转换器也一 样的不稳定得让我抓狂。我知道你一定想了解转换器的设计细节：它的时钟频率为100kHz，V in 为12V，V out 是60V，额定输出电流为100mA。我使用了一个10µH的电感。   附言：我的女儿也叫Fred，我给她取了与你一样的名字。我是你最忠实的粉丝哦。   -成都胡说王   亲爱的胡说王，我比较喜欢人家尊称我作Engleberry博士。我要求所有人，甚至是下个月就要过104岁生日的老母亲，都叫我 Engleberry博士。虽然我提醒她不下1753次了(是的，我一直在追踪此事)，但她还是固执地拒绝了。你可以想象这多么令人气恼，甚至能够把我的卡布奇诺咖啡煮沸啊。   至于你的升压转换器…这些设计很巧妙，尤其当电感电流为连续，而占空比大于50%时。现在就让我来看看你的情况。   时钟周期为10µS，可以利用下式计算出T on 。   当 T p =10µSec,  V in =12V并且 V out =60V。这样便得出：   T on =8µSec   因此   T off =2µSec。   一如所料，我们遇到了一个被称作RHP零点的问题。RHP是右半平面(Right-Half Plane)的缩写。这看起来非常复杂，但概念相当简单。电感器“充电”8µS，放电2µS。只要负载稳定，一切都会正常运转的。但是想象一下，如果我们 要求负载电流快速增长，则从电感器 获得 更多功率的唯一方法就是 输入 更多的功率。怎样输入更多的功率呢？当然是更长的导通周期。但是，如果采用定频转换器，只能依靠减少关断周期来获得更长的导通周期。关断周期缩短，输出功率就会降低。   是的，我们想要更高的输出功率，只是在我们为电感器建立新的工作点之前，输出功率还是处于低水平。这是升压转换器的特有问题，而在这些工作条件下， 我们无能为力。真正的问题是在我们试图为该电源进行补偿时出现的。如果响应时间过短，转换器便会试图对降低的输出电压进行补偿，结果就会遇到令人讨厌的过 冲和下冲，甚至更糟的情况，就是控制环路不稳定。因而，我们必须以较期望低得多的频率运行响应环路。   我们能做什么？放弃升压转换器，转而使用反激式转换器？   附言：无巧不成话，我母亲的名字也叫Fred。   Engleberry博士