一种低输入电压、低功率Step-up DC-DC变换器的设计

门秀萍

(安徽财经大学管理科学与工程学院，安徽 蚌埠 233030)

0 引言

在遥控器、MP3播放器、便携式产品和手持式设备等电子产品中，通常使用单节AA电池或充电电池供电，［1］其电压约为1.2 V，无法保证大部分电子半导体器件正常稳定地工作。为此提出了一种基于回扫变压器起动的低输入电压、低功率的Step-up DC-DC转换器，它能够在低达0.5 V的低输入电压下工作，并可以通过DC-DC升压转换，将输出电压升高至3.3 V或5 V。该电压能够被大多数电子半导体器件直接使用。

1 Step-up DC-DC变换器原理介绍

图1为Step-up DC-DC变换器的简化原理图。它由变压器 T1，电容 C1，C2和 C5，二极管D1，场效应管Q1，Q2，电阻 R1以及驱动控制电路组成。

图1 Step-up DC-DC变换器的简化原理图

该升压变换器对传统的升压变换器主要进行了以下改进。

1)用变压器替代单线圈，并联晶体管Q1和Q2。该设计方案需要一个变压器的次级线圈来降低最低输入电压，使最低电压能够低于500 mV，由于控制开关晶体管的有源电路在此低电压下不能正常工作，因此，该变换器必须工作在自激振荡模式下，从而使该次级线圈能够驱动开关晶体管。

2)将2个开关管并联。一个用来启动变换器，另一个使变换器工作在稳态。选用JFET(结型场效应晶体管)作为起动开关管Q1，因为其可以在零栅极电压下导通，并具有极低的开启电压。

3)Q1不能用作主开关管，因为其导通电阻通常有几十欧姆，会产生较高的导通损耗，从而降低变换器的效率。因此，在起动阶段以后选用NMOS(N沟道场效应管)作为主开关管Q2，采用2个开关管并联，不仅可以在起动时达到0起动电压，还可以在稳态时具有较低的导通电阻。

当输入电压Vin上升时，Q1的电流开始增加，同时变压器T1初级线圈的电流也开始上升，在次级线圈上产生一个低的电压感应。从而使Q1的PN结导通，C1被充电到一个极小的负电压。当输入电压Vin上升到最大值时，初级线圈上的电流变为恒定值，次级线圈上电压为0，C1存储了一个负电压，并加在Q1的栅极上。如果此电压接近Q1的关断电压，通过初级线圈的电流则开始减小。初级线圈的电流减小，则在次级线圈上感应出一个正电压。因此一个负电压加在Q1的栅极，Q1关断。当在次级线圈上电压脉冲足够大时，Q2导通。C1上的电压向负方向越来越大，T1将不再导通，只有Q2导通。Q2的栅极电压取决于Q2的导通电阻，因此时间就是导通时间，保持开关关断时间几乎是恒定的。变换器输出电压的调整取决于变换器的开关频率。

续流二极管D1(见图1)被替换成一个PMOS(P沟道场效应管)。其导通时Q2截止。PMOS被一个连接到Q2漏极的简单的变换电路所控制。在这种方式下，升压电路变成同步整流变换器。这种变化导致正向压降的降低，使效率提高5%左右。

2 反馈控制

反馈控制电路(见图2)，由起动辅助电路，场效应管栅极保护电路和输出电压反馈调整电路组成。

图2 反馈控制电路图

起动辅助电路由C3(22 nF)、C4(470 pF)和JFET Q3组成，C3和JFET Q3串联后再和C4并联。起动时，Q3的栅源级电压为0，因此，C3和C4并联。这种并联有助于变换器在低电压时开始振荡。T1初次级线圈匝数比为6，可以使最小起动电压达到300 mV，并使初级线圈获得低阻抗，从而不影响变换器的效率。然而，这样会引起额外的栅源级电压，从而引起高开关损耗。但是，在稳态工作时JFET Q3是关断的，此时只有电容C4(比C3有更小的电容)是有源的，能够减少Q2的栅源级电压损耗。因此，通过电容C4和C3并联在Q3上，完成了一个低电压起动，减少了开关损耗。

场效应管栅极保护电路是为了保护Q2不被高的栅源级电压损坏。电路由二极管 D2和6.8 V的稳压管D3组成。R2和D3并联来起动变换器。

反馈控制的第三个电路是输出电压反馈控制，它由二极管D4和D5、三极管Q4和电位器R3组成。这个电路控制Q2的栅源级电压。因为该电路的设计被简化了，不会和复杂环路一样精确，但是，其产生的电流损耗较低，这一特点对太阳能电池与微型燃料电池等新型电源系统的变换器设计是十分重要的。

3 实验结果

按上述方法，搭建了一个实验电路。设定输出电压为3.3 V，图3显示的是输入电压在500 mV时和输出电流在10～100 mA时变换器的效率。升压变换器在输出电压3.3 V和在输出电流达到30 mA时，效率可达70%，并且在输入电压低至300 mV时，电路仍然可以正常起动。

图3 输入电压在500 mA、输出电压为3.3 V时和输出电流在10～100 mA时变换器的效率

4 结论

通过对传统的升压变换器的改进，提出了一种低输入电压、低功率Step-up DC-DC转换器的设计方法，并对其工作原理进行了详细分析。由实验结果可以看出，即使在输入电压为0.5 V的低电压情况下，输出电压仍可以起动到3.3 V以上，确保带隙基准，误差放大器和电流比较器等主控制电路正常工作，［2］从而能够帮助设计人员解决低电压设计方面的技术问题，确保各种替代电源实现在移动电话、便携式医疗设备与媒体播放器等产品中的应用。同时，也支持太阳能电池与微型燃料电池等新型电源在便携式电子终端设备中的应用。

［1］李新，牟鑫鑫.低输入电压DC-DC升压转换器的启动电路［J］.电子设计工程，2010(5):174－176.

［2］刘传军，来新泉，解建章.一种低输入电压Boost型DC-DC的启动电路设计［D］.西安:西安电子科技大学，2004.