DC-DC升压电路原理与应用

DC-DC升压电路原理与应用

目前，在手机应用电路中，通常需要通过升压电路来驱动闪光灯模组的LED或者是显示屏背光的LED，并且通常可以根据不同情况下的需求，调节LED的明暗程度。一般的LED驱动电路可以分成二种，一种是并联驱动，采用电容型的电荷泵倍压原理，所有的LED负载是并联连接的形式；另一种是串联驱动，采用电感型DC-DC 升压转换原理，所有的LED负载是串联连接的形式。这类应用电路中采用的升压器件有体积小，效率高的优点，而且大多数是采用SOT23-5L或者SOT23-6L的封装，外加少量阻容感器件，占用电路板很小的空间。在此，结合具体器件的使用情况，介绍这两种升压器件的工作原理和应用。

电容型的电荷泵倍压原理的介绍

以AnalogicTech公司的升压器件AAT3110为例，介绍电容型的电荷泵升压电路的工作原理和应用。器件AAT3110采用

SOT23-6L的封装，输出电压4.5V，适

用于常态输出电流不大于100mA，瞬态

峰值电流不大于250mA的并联LED负

载，具体应用电路图，如图1所示。事

先叙述一下有关两倍升压模式电荷泵

的工作原理。AAT3110的工作原理框图，

如图1、2所示，AAT3110使用一个开关

电容电荷泵来升高输入电压，从而得到

一个稳定的输出电压。AAT3110内部通

过一个分割电阻网络取样电荷泵输出

电压和内部参考电压进行比较，并由此

调节输出电压。当分割电阻网络取样电

压低于内部比较器控制的预设点(Trip

Point)时，打开双倍电路开关。电荷泵

以两个不重叠的阶段循环开关四个内

部开关。在第一个阶段，开关S1和S4

关闭并且S2和S3打开，使快速电容器

CFLY充电到一个近似等于输入电压VIN

的电压。在第二个阶段，开关S1和S4

打开并且S2和S3关闭。在第一阶段时，

快速电容器CFLY的负极接地。在第二

个阶段时，快速电容器CFLY的负极则

连接到了VIN。这样使得快速电容器CFLY正极的电压就升高到了2*VIN，并且通过一个开关连接到输出。在每一个循环阶段，电荷从输入节点VIN由较低电压转换成较高电压。这个循环自己重复，直到输出节点电压足够大以超越控制比较器的输入阀值电压。当输出电压超过内部预设点标准时，开关循环停止并且电荷泵回路置于一个空闲状态。在空闲状态时，AAT3110有一个不大于13μA的静态电流。AAT3110

还内置一个时钟振荡器当作驱动电荷泵的开关信号，自由运行的电荷泵开关频率在750kHz左右。上述表明AAT3110的整个闭环反馈系统包括了电压感应回路和控制比较器。此外， AAT3110还提供一个外部可调节的平衡电阻，调节相对应的输出电压和输出负载电流。在实际应用中，设计成有两档平衡电阻可供调节,具体电路如图3所示。AAT3110驱动四颗并联的LED，SHDN_B为电源控制脚，控制IC的打开和关闭，

STROBE为闪光灯控制脚，控制闪光灯是否闪烁。R603是LED平衡电阻，R602为峰值电流调节电阻；当STROBE为低电平时，NMOSFET关闭，LED通过R603接地发光，此设计为作手电筒功能时的状态，SHDN_B为高电平，控制电荷泵工作，输出4.5V

的电压，此时通过LED的电流为14mA*4,那么由公式计算，可得知R603的阻值约为22Ω。由于LED在导通后微小电压变化会导致电流大幅变化，因此除了平衡外也有限流的作用。当STROBE为高电平时，NMOSFET打开，此时电流通过R602构成回路，每个LED瞬时脉冲电流50mA,进入高亮度的闪光状态，供拍照时使用，这种状态不能长时间保持，大概在200ms左右，应当关闭NMOSFET。

电荷泵效率η可以简单的表示成一个线性稳压管，它有一个高效的电压输出可以达到输入电压的两倍。效率η在理想的双倍电压下可以典型的表示成输出功率除

以输入功率：。另外，在一个理想的双倍电压电荷泵中，输出电流可以被

表示为输入电流的一半。效率η公式可以被写成：

。一个输出4.5 V，实际输入2.8 V的电荷泵，理论上的效率是80.4%。由于内部开关损耗和IC静止电流损耗，实际的效率，通过试验测量可以达到79.6%。这个数据在一个大范围的输出负载条件下都可以得到认可。但效率会因为负载电流下降到0.05mA以下或者当VIN逼近VOUT的时候而减少。

器件外部电容的选择也是一个关键的问题，仔细的选择三个外部电容CIN，COUT 和CFLY是非常重要的，因为它们将影响开启时间，输出纹波和暂态表现。当CIN，COUT和CFLY使用较低串联等效阻抗(ESR< 100mΩ)的陶瓷电容时将会获得最适宜的性能。通常，低ESR电容定义为ESR值低于100mΩ的电容。如果需要一个特殊的应用，低ESR钽电容可以作为替代，然而不一定会达到最好的纹波输出。由于AAT3110固有的高ESR特性而不推荐使用铝电解电容。一般在一个开始点，当AAT3110使用在最大输出负载条件下,CIN和COUT电容值可以选择10μF，CFLY为1μF。在较轻负载应用时，CIN，COUT和CFLY可以使用较低的值。因此，CIN和COUT的范围可以是从轻负载的1μF到重负载的10μF。CFLY可以从0.01μF到2.2μF或者更多。如果CFLY增加，COUT将要以相同比率增加来减少纹波输出。一个基本的规则就是，建议CIN，COUT和CFLY之间的比例近似为10:1。降低CIN，COUT和CFLY值的后果就是输出纹波的增加。总而言之，如果外部电容值严重偏离了CIN = COUT = 10μF 和CFLY = 1μF这个级数值，那么AAT3110的输出性能将无法保证。

顺带叙述一下电容器的特性。在所有种类的电容器中，强烈推荐陶瓷合成物电容器结合AAT3110使用。陶瓷电容器相对于相同容值的钽电容和铝电解电容有许多优点。陶瓷电容器一般都有非常低的ESR值，低成本，拥有一个小PCB封装并且没有极性。低ESR将最大可能的帮助电荷泵减小暂态响应。因为陶瓷电容器没有极性，所以它们不会导致连接损坏。ESR值是一个选择电容器时的重要指标。陶瓷电容器ESR的典型值一般在几个mΩ到数十mΩ这个级数，在钽电容或者铝电解电容中ESR 的典型值可以达到数百mΩ甚至几欧姆。

ESR是电容器固有的一个内部阻抗，主要取决于电容器尺寸和面积，电容器的化合材料以及周围温度。陶瓷电容器材料的应用情况：低于0.1μF的陶瓷电容器通常材料是NPO和COG。NPO和COG材料通常拥有精确的公差并且受温度影响不大。大电容值通常使用X7R、X5R、Z5U或者Y5V绝缘体材料。大的陶瓷电容器，一般指电容值大于2.2μF，通常可以使用低成本Y5V和Z5U绝缘体，但是大电容器不属于AAT3110应用范围。电容器面积是另外一个导致ESR的问题，相比同样材料的一些电容器，大尺寸的电容器将会有低ESR值。相比较小封装的等值电容器来说，这些较大器件可以改善回路暂态响应，但是将给缩小空间带来更大的压力，设计中可以综合考虑，选择合适的一个折衷值。

如何减少输出纹波？电荷泵输出纹波的振幅和频率是由许多因素决定的，如电容COUT和CFLY的值，负载电流IOUT和输入电压VIN的级别。就VIN来说，加大VIN可以增加电荷泵从输入到输出端传递电荷的能力。但是，输出纹波的峰峰值也会增加。COUT和CFLY的值和类型都对输出纹波有影响。因为输出纹波与电容的R/C 充电时间常数相关联，电容值和ESR值都将会对电荷泵输出纹波有作用。这就是为何推荐在电荷泵应用中使用低ESR电容的原因。试验数据表明，输出纹波在VIN = 3.0 V，VOUT = 5.0 V，COUT = 10μF和CFLY = 1μF时不会大于30mVP-P。