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    DC/DC开关电容稳压器可以提升便携电源效率

    文章出处: 点击量: 发表时间:2017-08-10 09:18:01
      我们利用DC/DC开关电容稳压器来提升电源的效率,那么开关电容器都有哪些优点呢?
     
      开关电容器可保持给定负载效率
     
      随着VIN的上升,由转换器产生的VIN和VOUT间的能量增加将引起功率耗损和效率下降。解决此问题所採取的模式为转变一个更高的效率增益,如同汽车替换档位一般。开关电容器类比设有一个类比增益控制和变化,以保持给定负载效率持续性,开关电容器具离散增益步骤,由VOUT/(增益×VIN)来给定效率,且这些效率取决于离散增益,一个LDO仅拥有一个增益及3者中最低的效率,开关电容器稳压器则有3个不同的电压增益,即2/3、1/2和1/3。
     
      从SC稳压器随着VIN的增长可看出,电压增益变化从2/3~1/2及1/2~1/3,因此整个负载範围的效率达最大化,带来锂离子电池电压範围3.4~3.8伏特上80%的功率,在相同应用中的LDO却仅达到50%效率,随电感器种类不同,典型的开关稳压器应具有88~90%效率。
     
      传统上,稳压器乃依据有效数量进行比较,但由于锂离子电池特性,要根据时量效率或锂离子电池充分放电所需时间来判定,根据经验,运用200毫安培的负载电流,使用典型开关稳压器,可比使用开关电容稳压器持续时间多出6~8%,假设最大负载与微处理器中的情况一样,仅表现到时间的20~30%,则电感开关和开关电容稳压器间操作时间的差别可忽略。
     
      须在效率与成本之间取舍
     
      开关电容稳压器的更多增益可能会增加少许效率,但却须要增加更多外部电容器和内部场效电晶体(FET),促使成本上升,同时也增加解决方案尺寸。上述增益可透过两个外部电容器或快速电容器(CFLY)取得,这些电容器用于储存电荷,并将电荷从VIN传输到VOUT,除快速电容,还需一个输入电容器(CIN)及输出电容器(COUT),输入电容器指示电压波纹,而输出电容器控制输出电压波纹,依VIN和VOUT可接受的波纹标準值,CIN和COUT值的一般範围是从1~10微法,且CFLY的数量通常比COUT少,外部电容器透过内部的功率FET在不同的配置中连接到晶片。
     
      为利用开关电容稳压器来调节输出电压,可考虑使用脉波频率调变(PFM)或脉波宽度调变(PWM),开关电容稳压器的输出阻抗与开关频率和内部功率FET的电阻成比例。透过调製输出阻抗,可再透过转换器对给定负载进行降压;使用回授,即能控制频率或内部FET阻抗,以调节输出电压,而PFM方案为较传统方法。
     
      在PFM类系统中,输出电压如高于一个指定值,稳压器即进行关机控制,至输出电压降到所需值以下时再重新开机,使用PFM控制模式的优势是操作电压取决于VIN和ILOAD,同时两者皆可调整。负载越高、操作频率就越接近指定频率,但此操作範围内的频率变化可能不适用某些可携式应用,输入电压波纹也取决于VIN和ILOAD,图5显示250毫安培和30毫安培负载的输出波纹。10微法COUT的输出波纹将为50毫伏特,可看到250毫安培负载的波纹频率高于10毫安培负载的波纹频率。

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