利用TPS43061同步升壓控制器擴(kuò)大升壓轉(zhuǎn)換器輸入電壓范圍

引言

寬輸入范圍DC/DC控制器通常都具有內(nèi)置欠壓鎖定（UVLO）電路，以在輸入電壓低于UVLO閾值時(shí)防止轉(zhuǎn)換器誤操作。但是，在一些應(yīng)用中，啟動(dòng)時(shí)的輸入電壓高于UVLO閾值但稍后卻可能降至該閾值以下，倘若出現(xiàn)負(fù)載瞬態(tài)或者超級(jí)電容放電，UVLO 電路便可能會(huì)引起我們不需要的關(guān)斷。除此以外，在一些應(yīng)用中，輸入電壓始終低于UVLO閾值，我們一般無(wú)法使用這些控制器。本文為您介紹幾種分離軌方法，用于擴(kuò)大升壓轉(zhuǎn)換器輸入電壓范圍，從而讓我們可以使用這些輸入電壓低于其UVLO閾值的控制器。文章提供了設(shè)計(jì)例子和測(cè)試結(jié)果，旨在驗(yàn)證這些方法的有效性。

升壓轉(zhuǎn)換器的最小輸入電壓

圖1顯示了單輸入電源 （VIN） 的典型升壓轉(zhuǎn)換器，其向功率級(jí)提供輸入電壓，并向控制器提供偏置電壓。VIN引腳的控制器最小偏置電壓由控制器的輸入U(xiǎn)VLO閾值設(shè)置。為了保證高側(cè)電流檢測(cè)升壓轉(zhuǎn)換器的功能（請(qǐng)參見(jiàn)圖1a），功率級(jí)的最小輸入電壓由電流檢測(cè)比較器的最小共模電壓定義。這是因?yàn)?，輸入電壓同時(shí)也連接電流檢測(cè)比較器的非反相輸入。電流檢測(cè)比較器的最小共模電壓通常小于-控制器的輸入U(xiǎn)VLO閾值。對(duì)于低側(cè)電流檢測(cè)的升壓轉(zhuǎn)換器（請(qǐng)參見(jiàn)圖1b ）來(lái)說(shuō)，功率級(jí)的輸入電壓并非直接連接電流檢測(cè)比較器。因此，不要求匹配最小共模電壓。所以，使用單軌結(jié)構(gòu)時(shí)，功率級(jí)的輸入電壓和控制器的偏置電壓連接在一起，這樣，控制器的輸入U(xiǎn)VLO閾值便強(qiáng)行限制了升壓功率級(jí)輸入電壓下降的程度。

如圖2所示，升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電源可以被分離為兩個(gè)軌：功率級(jí)輸入軌（VIN）和控制器的偏置輸入軌 （VBIAS）。使用分離軌結(jié)構(gòu)時(shí)，盡管仍然要求VBIAS 高于控制器的UVLO 閾值來(lái)開(kāi)啟控制器，但是，VIN可以降至UVLO閾值以下。由于VBIAS 僅需提供非常小的功率，因此其可以由一個(gè)充電泵產(chǎn)生，甚至可以共用另一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)已存在的電壓軌。這樣，便可以擴(kuò)大電源軌 （VIN） 的電壓范圍。

本文將為您介紹幾種實(shí)施這種分離軌結(jié)構(gòu)的方法。TI的TPS43061同步升壓控制器，將用于闡述這種分離軌概念，并驗(yàn)證所介紹方法的有效性。該升壓控制器擁有一個(gè)高側(cè)電流檢測(cè)比較器，并在偏置電源輸入 （VIN） 引腳有一個(gè)內(nèi)部輸入U(xiǎn)VLO電路。

圖3顯示了圖1a所示單軌結(jié)構(gòu)下升壓轉(zhuǎn)換器的關(guān)閉波形。一旦VIN降至3.9V（控制器的UVLO 關(guān)閉閾值）以下，轉(zhuǎn)換器便-停止開(kāi)關(guān)操作。僅當(dāng)VIN升至4.1V UVLO 開(kāi)啟閾值以上時(shí)，升壓轉(zhuǎn)換器才會(huì)開(kāi)啟。

擴(kuò)大啟動(dòng)后的輸入電壓范圍

在一些僅有一個(gè)輸入電源的應(yīng)用中，啟動(dòng)時(shí)，輸入電源電壓大于控制器的UVLO 開(kāi)啟閾值。但在啟動(dòng)之后，它會(huì)降至輸入U(xiǎn)VLO 閾值以下，從而導(dǎo)致意外關(guān)閉。例如，在使用光伏板和超級(jí)電容作為輸入電源的電力系統(tǒng)中，放電會(huì)使輸入電壓降至控制器UVLO 關(guān)閉閾值以下。另一個(gè)例子是，USB電源線驅(qū)動(dòng)的電源系統(tǒng)，在負(fù)載瞬態(tài)期間，其電壓會(huì)明顯下降，導(dǎo)致意外系統(tǒng)關(guān)閉。

就這些應(yīng)用而言，如果VOUT在VBIAS 規(guī)格范圍內(nèi)（其總是大于UVLO開(kāi)啟閾值），則VOUT其可通過(guò)一個(gè)二極管反饋為偏置電源 （VBIAS）。在啟動(dòng)以后，VBIAS 被控制在VOUT。其大于VIN，并且即使在VIN降至該閾值以下時(shí)它也保持在UVLO閾值以上。只要VIN可以滿足電流檢測(cè)比較器的最小共模電壓要求，升壓轉(zhuǎn)換器便可以維持正常工作。

圖5顯示了圖4所示升壓轉(zhuǎn)換器的關(guān)閉波形，其中，VOUT設(shè)置為6V，并且反饋為偏置電源。忽略二極管正向降壓的情況下，啟動(dòng)后VOUT高于VIN時(shí)，偏置電源電壓（VBIAS）被控制為大于VIN的VOUT。因此，當(dāng)VIN降至3.9V以下時(shí)，VBIAS保持在3.9V UVLO關(guān)閉閾值以上。VOUT保持穩(wěn)壓范圍內(nèi)，直到VIN降至電流檢測(cè)比較器的最小共模電壓以下（本例中為1.9V ）。這就意味著，啟動(dòng)后的最小輸入電壓（VIN）從3.9V降至1.9V 。

擴(kuò)大啟動(dòng)輸入電壓范圍

鋰離子 （Li-Ion） 電池廣泛應(yīng)用于智能電話、平板電腦和其他手持設(shè)備中。由于需要放電和充電，單節(jié)鋰離子電子3.6V的額定電壓通常具有2.7V到4.2V的范圍。即使在啟動(dòng)之前，它也比一些寬輸入范圍升壓控制器的UVLO閾值要低。就這些應(yīng)用而言，不管是單軌方案還是把VOUT反饋為偏置電源的分離軌方法都不起作用。我們需要一種不同于電池輸入的單獨(dú)偏置電源。幸運(yùn)的是，偏置電池僅需提供非常低的功率。如果在系統(tǒng)中，存在另一個(gè)高于已有UVLO開(kāi)啟閾值的電源軌，則它可以在連接電源軌 （VIN） 至電池（請(qǐng)參見(jiàn)圖2）的同時(shí)連接至VBIAS 。如果沒(méi)有，則可以為偏置電源添加一個(gè)充電泵（請(qǐng)參見(jiàn)圖6）。

在本例中，由于電池輸入范圍為2.7V到4.2V，因此TI 的TPS60150 充電泵產(chǎn)生一個(gè)經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓的5V電源，其高于TPS43061控制器的UVLO開(kāi)啟閾值，這樣它便可以用作偏置電源。通過(guò)一個(gè)使用分離軌方法的充電泵，升壓轉(zhuǎn)換器可以使用一個(gè)電壓高于升壓控制器UVLO開(kāi)啟閾值的單輸入電源來(lái)啟動(dòng)和運(yùn)行。

圖7顯示了圖6所示升壓轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)波形。盡管VIN-僅為2.7V ，但由于VBIAS 在5V 下穩(wěn)壓，因此該轉(zhuǎn)換器可以使用一個(gè)單2.7V電源啟動(dòng)和運(yùn)行。通過(guò)這種分離軌方法，升壓轉(zhuǎn)換器的最小工作輸入電壓范圍從4.1V進(jìn)一步擴(kuò)展至2.7V。

結(jié)論

升壓轉(zhuǎn)換器工作通常要求兩個(gè)輸入：功率級(jí)輸入電源和控制器偏置電源。控制器的UVLO閾值決定了偏置電源的下限。另外，如果這兩個(gè)軌連接在一起共用一個(gè)輸入電源，則它還限制了功率級(jí)的輸入電源。分離軌方法把電源軌分離于偏置電源軌，目的是消除對(duì)電源軌最小工作電壓的限制。這樣做可擴(kuò)大升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍。

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