交換式電源IC TLV61220的工作原理及應(yīng)用

上一回我們利用MadisKaal的在線的設(shè)計(jì)工具示范了MC34063的設(shè)計(jì)及零件選用的過(guò)程，以及在不同特性之間取舍的設(shè)計(jì)迭代過(guò)程。我們?cè)谟?jì)算漣波電壓與輸出電容之間的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)交換頻率的增加對(duì)于改善輸出漣波以及減小電感這兩件事都有正面的影響

這一回我們要來(lái)介紹比較新的交換式電源IC，來(lái)看看當(dāng)交換頻率變高時(shí)，設(shè)計(jì)上會(huì)有什么改變。

零件選用

我們以TI的boostconverter零件為例來(lái)介紹這次的設(shè)計(jì)。在TI的網(wǎng)站上，boost converter是放在Power Management→Step-up（boost）regulators→Boost converters之下。在Step-up（boost）regulators這個(gè)分類之下，除了Boost converters外，還有另一個(gè)類別叫做Boost controllers。

在Step-up（boost）regulators的頁(yè)面下有一張圖，說(shuō)明了converter與controller的不同：-

Converter就如同我們之前介紹的MC34063A一樣，內(nèi)建開(kāi)關(guān)晶體管，因此只要加上電感和幾個(gè)外部組件就可以工作，而boost controller指的則是那些需要外加開(kāi)關(guān)晶體管的boost電源控制IC。我們下一回會(huì)再詳細(xì)介紹這種需要外加開(kāi)關(guān)晶體管的boost controller，這一次就讓我們先來(lái)看看內(nèi)建開(kāi)關(guān)晶體管的boost converter。

上面這兩張圖中的電路似乎和我們之前看到的boost電路不太一樣，里面少了整流二極管，但多了一顆MOSFET？我們稍后會(huì)說(shuō)明這個(gè)差異。

點(diǎn)進(jìn)boost converters的分類中，再點(diǎn)Products的分頁(yè)，就可以看到這個(gè)分類中完整的產(chǎn)品列表。

TI的產(chǎn)品選擇網(wǎng)頁(yè)提供了很多參數(shù)化的篩選方式，幫助用戶找到需要的產(chǎn)品（當(dāng)然，找電源IC最常用的篩選方式就是輸入電壓、輸出電壓、輸出電流等，因此這個(gè)篩選方式做在最容易操作的畫(huà)面上方）。除此之外，我們也可以用交換頻率、最大開(kāi)關(guān)電流、封裝方式等更復(fù)雜的參數(shù)來(lái)篩選。我們甚至可以在列表中直接看到每一顆IC在TI的庫(kù)存量，這對(duì)于現(xiàn)在這種半導(dǎo)體零件缺貨的亂世來(lái)說(shuō)，是非常有幫助的功能。

TLV61220

這次我們要來(lái)當(dāng)范例的IC是TI的TLV61220，這是一顆最低輸入0.7 V，輸出可以在1.8 V到5.5 V之間調(diào)整的boost converter。這種輸入輸出電壓的IC，通常是設(shè)計(jì)給單顆鋰電池（電壓范圍3 V–4.2 V）或是一到兩顆涅氫電池串聯(lián)（電壓范圍1.2 V–2.4 V）為電源、工作電壓在3.3 V或5 V的小型電子產(chǎn)品所使用，因此它的設(shè)計(jì)會(huì)很注重效率，尤其是輕載時(shí)的效率。

上圖是TLV61220在datasheet中的范例電路圖。R1和R2是回授電路的分壓電阻，用來(lái)設(shè)定輸出的電壓。TLV61220的VFB只有0.5 V，不過(guò)它并不能設(shè)定到這么低的輸出電壓，它的最低輸出電壓是1.8 V，而且必需要大于等于輸入電壓。

有一路追蹤本專欄的讀者，對(duì)于電源電路的回授分壓應(yīng)該已經(jīng)很熟悉了。VFB跟VOUT之間的關(guān)系就是R1和R2上的分壓：

VFB= VOUT* (R2 / (R1 + R2) )

TLV61220的VFB是0.5 V，因此VOUT就=0.5 * (R1 + R2) / R2

Datasheet上建議R2要小于500 K?，讓分壓電路上的電流至少有1 uA以維持回授電路的穩(wěn)定，因此在設(shè)定R1和R2時(shí)要特別注意。R1和R2的總和太小會(huì)增加耗電，而太大會(huì)降低回授電路的穩(wěn)定性，這也是一個(gè)設(shè)計(jì)上需要拿捏的地方。

電路中的C1和C2分別是輸入電容器和輸出電容器。如同我們之前聊線性穩(wěn)壓電源時(shí)說(shuō)過(guò)的，這種比較新的電源IC，都會(huì)以ESR較低的陶瓷電容當(dāng)作搭配的濾波電容，因此不需要太大的電容就可以達(dá)到很好的濾波效果，也可以避免在電容充放電時(shí)，ESR造成的能量損失。

L1就是交換式電源的儲(chǔ)能電感，由于TLV61220的交換頻率介于500 KHz到2 MHz之間，算是很高的交換頻率，每一次對(duì)電感充電的時(shí)間就很短，再加上它內(nèi)部的開(kāi)關(guān)晶體管最大只能耐0.4 A的開(kāi)關(guān)電流，因此相較于上一回介紹的MC34063需要用到100 uH以上的電感，TLV61220只需要4.7 uH的電感就可以工作得很好。

我們知道TLV61220有內(nèi)建開(kāi)關(guān)晶體管（所以它是converter而不是controller），但是怎么沒(méi)看到整流二極管呢？

同步整流

我們來(lái)看一下TLV61220內(nèi)部的結(jié)構(gòu)：

我們可以看到TLV61220內(nèi)部有兩顆MOSFET，其中一顆從SW腳接往GND，就是我們介紹過(guò)的，boost converter中的開(kāi)關(guān)晶體管。它藉由將電感接地來(lái)將來(lái)自輸入的能量?jī)?chǔ)存于電感里。

另一顆MOSFET旁邊有一顆二極管跟它并聯(lián)在一起，這一顆二極管的位置就是原來(lái)整流二極管的位置。事實(shí)上它應(yīng)該是這個(gè)N-channel MOSFET的body diode，也就是隨著制程而來(lái)的、無(wú)可避免形成的一個(gè)由drain通往source的二極管。

但為什么要放一顆N-channel MOSFET在這里，而不直接放個(gè)二極管來(lái)整流就好呢？

為了效率。

我們知道任何二極管都會(huì)有順向電壓VFOWARD，隨著制程不同，這個(gè)順向電壓從0.2 V到0.7 V都有可能，而這個(gè)電壓乘上流過(guò)二極管的電流，就是二極管上的能量損耗。對(duì)于用電池的小型電子裝置來(lái)說(shuō)，任何額外的功耗免則免，因此TLV61220設(shè)計(jì)了一種叫做「同步整流」（synchronous rectification）的機(jī)制，在原來(lái)二極管整流電路的地方。

使用二極管整流時(shí)，二極管的導(dǎo)通與否純粹由兩側(cè)的電壓差來(lái)決定：當(dāng)電感在放電時(shí)，二極管處在順向偏壓，它就會(huì)導(dǎo)通；當(dāng)電感在充電時(shí)，二極管處于逆向偏壓，它就不導(dǎo)通。

因?yàn)殡姼械某浞烹娛怯砷_(kāi)關(guān)晶體管來(lái)決定的，所以我們其實(shí)知道電感什么時(shí)候充電、什么時(shí)候放電，因此我們可以用控制開(kāi)關(guān)晶體管的同一個(gè)訊號(hào)，將它反過(guò)來(lái)，控制另一顆MOSFET，就可以用另一顆MOSFET來(lái)整流；換句話說(shuō)，當(dāng)開(kāi)關(guān)晶體管導(dǎo)通、電感充電時(shí)，整流晶體管就不導(dǎo)通；當(dāng)開(kāi)關(guān)晶體管關(guān)閉、電感放電時(shí)，整流晶體管就導(dǎo)通。這兩顆晶體管同步利用同一個(gè)訊號(hào)的不同極性來(lái)運(yùn)作，因此叫做「同步整流」。

利用MOSFET來(lái)整流的好處就是MOSFET沒(méi)有VFOWARD壓降。MOSFET導(dǎo)通時(shí)，drain到source之間會(huì)像是一個(gè)電阻性的組件，而這個(gè)電阻就是RDS（On），它的大小由MOSFET的大小來(lái)決定，越大顆的MOSFET，RDS（On）就越小，導(dǎo)通時(shí)的損失就越低，而二極管不管多大顆，它上面的VFOWARD壓降仍然免不了。

因此在追求效率的boost converter上，常?？梢钥吹竭@種利用MOSFET取代整流二極管的同步整流電路，為的就是要避免整流二極管上的額外損耗。

我們將電感、開(kāi)關(guān)晶體管、同步整流晶體管的相對(duì)關(guān)系重新畫(huà)一下，就會(huì)變成剛剛前面看到的，boost converter的電路：

整理過(guò)后的電路圖，兩顆晶體管一上一下，因此也有人將開(kāi)關(guān)晶體管稱為low-side的晶體管，將整流晶體管稱為high-side的晶體管，而控制電路就負(fù)責(zé)輪流切換high-side和low-side晶體管的導(dǎo)通，并控制duty cycle，來(lái)控制輸出的電壓。

小結(jié)

這一次我們以TI的TLV61220為例，說(shuō)明了比較現(xiàn)代的交換式電源boost converter IC的運(yùn)作原理、介紹了以整流晶體管取代整流二極管的「同步整流」電路，并解釋同步整流電路優(yōu)于二極管整流的好處。

下一回我們要再回到MC34063上，看看當(dāng)IC內(nèi)部的開(kāi)關(guān)晶體管不夠大、無(wú)法承受我們需要的電流時(shí)，要如何利用外加的開(kāi)關(guān)晶體管來(lái)設(shè)計(jì)功率更大的boost converter。

審核編輯：郭婷