高效率升压型DC-DC转换器设计

许 佳

（西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065）

0 引 言

小型化遥测系统内部电池的输出电压通常要小于遥测系统中大部分核心部件的正常工作电压，在这样的情况下就需要具有升压功能的电源系统。开关电源具有多样变换电压、重量轻以及转换效率高等优点，因此在小型化遥测供电系统中具有重要作用。由于小型化遥测系统的空间和重量受到限制，其电池容量有限，而且电池输出电压偏低，为了解决这一问题，保证系统的正常运行，延长其运行时间，进行高效率的升压式DC-DC变换器的研究具有重要意义[1]。

1 Boost 型转换器的功率损耗源分析及降低功率损耗的技术

高效率升压型DC-DC设计的主要目的是提高DC-DC转换器的效率。在开展这一工作前，需要明确其功率的损耗来源，然后根据其损耗来源制定出针对性的措施来降低损耗，从而有效提高DC-DC转换器的效率。

1.1 功率损耗源分析

Boost 型转换器的功率损耗源主要包括导通损耗、驱动损耗、静态损耗、开关损耗以及体二极管导通损耗等，在不同负载的情况下，这些损耗的大小是变化的，占总损耗的比重也不断变化，因此为了提高转换效率，在不同负载下需要有不同的侧重地减小损耗，从而起到良好的降低损耗的效果。

（1）导通损耗。为负载供电时，电流在流经具有电阻性的元件时，会产生功率的损耗，即为导通损耗。

（2）驱动损耗。在系统运行时，需要控制功率开关管的导通和关断，在这个过程中会发生损耗，即为驱动损耗。

（3）开关损耗。在控制开关功率管的导通和关断的过程中也会产生损耗，即开关损耗。

（4）体二极管导通损耗。对于开关功率管，其具有体效应二极管，在死区时间，电感电流需要通过体二极管实现续流，这个过程产生的损耗称为体二极管导通损耗。

（5）静态损耗。转换器中的控制模块在运行过程中也会产生损耗，这部分损耗被称为静态损耗[2]。

1.2 提高效率的技术

针对DC-DC转换器的功率损耗原因，可以采取针对性的技术，来降低功率的损耗，从而提高转换器的效率。当前，常用提高效率的技术包括同步整流技术、多模式工作技术、不同尺寸开关管并联技术、动态改变驱动电压技术、同步整流的死区时间控制技术以及减少各模块静态电流技术等。

（1）同步整流技术。应用P型功率管来代替整流二极管，通过应用导通电阻小、压降小的特点，可以降低导通电阻带来的损耗。

（2）多模式工作方式。采用PWM在高负载时效率高，PFM在低负载时工作效率高，根据功率实现工作模式的切换，可以提高全负载范围内转换器的效率。

（3）不同尺寸开关管并联技术。并联不同尺寸的开关管，根据不同负载进行开启，可以降低损耗。

（4）动态改变驱动电压。导通损耗和驱动损耗是转换器中最大的两个损耗来源，而且存在一个驱动电压可以使驱动损耗和导通损耗总和最小，因此通过动态改变驱动电压可以降低驱动损耗和导通损耗总和。

（5）同步整流的死区时间控制。通过实现精确的死区时间控制，可以防止由于死区时间过长或者过短而造成的损耗。

（6）减少各模块的静态电流。在待机或者是负载比较小的情况下，各模块的静态电流损耗就会成为主要的损耗来源，影响效率。小型化遥测系统处于待机状态时，静态电流损耗成为其主要消耗，因此减少静态电流，提高待机时的效率非常重要。通常采取在待机状态或者轻载状态下，将不工作的模块关断的方式来降低静态电流。

2 高效率升压型DC-DC转换器设计

本文应用了同步整流技术进行设计，联合多个不同尺寸的开关管，基于负载的大小来选择导通相应大小尺寸的开关管，还采用了双模自动切换技术，进行了高效率升压型DC-DC转换器的设计，并对其关键部分的硬件设计进行了分析。

2.1 系统整体功能

本文设计的高效率Boost型转换器是一种能够在全负载范围内实现高效率的转换器，该转换器的主要参数如表1中所示。

表1 转换器的主要参数

其能够给小型化遥测系统的编码器和发射机提供恒定的直流电压。转换器应用了峰值电流，同时应用了并联多个不同尺寸开关管的技术，能够根据负载的大小来进行选择性的导通，实现高效的控制。其具有PWM和PFM两种工作模式，当负载比较小时能够自动切换到PFM模式下，同时设计了软启动的功能，从而使其具备防止启动时因电感出现的浪涌电流及输出电压的瞬时升高导致元器件的损毁的能力。

2.2 系统的整体设计

2.2.1 系统整体设计介绍

本文设计的是一种主要应用于小型化遥测系统的高效率Boost型转换器，基于小型化遥测系统的实际需要，其负载电流需要在轻载和重载之间变化。例如，发射机会在大小功率之间进行切换。因此对于系统提出了更高的要求，要求在各种状态下都能够具有较高的效率。在PWM的模式下，DC-DC转换器的驱动损耗和开关损耗不会随着复杂电流的变化而发生变化，但是在轻载的工作状态下，这部分损耗和输出功率相当，导致此时的工作效率比较低，如果转换器在轻载工作模式下的工作时间比较长，则其工作效率会直接决定电池的使用时间。因此，为了使转换器在各种状态下都能够保持较高的效率，需要采用降低轻载状态下开关频率的方式来降低开关的频率，从而使其驱动消耗和开关频率都降低，使系统的电源效率得到提升。通过应用并联不同尺寸开关管的技术，可以根据负载的大小调整开关管的导通情况，从而实现降低开关频率的目的。通过这样的设计，可以使转换器在全负载范围内的效率都得到提升，从而延长电池的使用时间[3]。

基于以上论述，在本文的设计中应用同步整流技术，结合并联不同大小尺寸的开关管技术来进行设计，并且应用了PWM/PFM双模式自动切换技术，系统整体框架如图1所示。

图1 系统的整体框架

2.2.2 系统的工作原理分析

当系统开始上电，软启动模式会进行动作，开启参考电压，使电压缓慢上升，从而使电感电流和输出电压都开始缓慢上升，并且达到稳态。当电感电流和输出电压达到稳态以后，控制环路能够对输出电压进行动态的检测，发现其发生的变化，然后将变化电压经过分压网络进行分压以后，输入到误差放大器的反向输入端。误差放大器将此电压进行放大，并且可以和基础电压进行比对，得到差值，即为误差信号VEA。PWM比较器比较经补偿后的采样电感电流信号与误差信号VEA，可以得到关断开关管的信号。基于逻辑电路，调节脉冲的宽度，对输出电压进行控制，使其保持为一定值。同时，输出的误差信号VEA会输入到开关管选择比较器。由于该误差信号和负载电流之间呈现出正比的关系，因此能够基于负载电流的大小对开关管进行控制，使导通的开关管和实际需求匹配。通过VEA可以实现WM/PFM双模式调制的切换，从而有效提高转换器的效率[4]。

2.2.3 系统各模块功能

本文设计的高效率Boost型转换器主要具有以下模块，分别是基准电压源模块、振荡器、误差放大器、PWM比较器、电流限制比较器、开关管选择比较器、电流采样模块、软启动模块、PWM/PFM 自动切换模块和Level-shift模块，下面对各模块的功能进行介绍。

（1）基准电压源模块。提供参考电压，误差放大器和其他模块以基准电压作为参考，基准电压基本不会随电压电压以及温度等的变化而发生变化。

（2）误差放大器。反馈电路中的重要模块，能够对采样输出电压和基准电压之间的误差值进行放大。

（3）PWM比较器。主要功能是对采用的电感电流信号和误差信号进行比对，然后根据比对结果对控制开关动作的脉冲宽度进行调制，从而实现输出电压的控制。

（4）电流限制比较器。PFM模式下能够实现电感峰值电流的控制，使其保持为固定值，具体的控制方式是比较电感电流信号和设定的固定电流值，并基于其对控制开关的关断实现对电感峰值电流的控制[5]。

（5）开关管选择比较器。其能够基于实际的负载情况，对开关管的导通情况进行控制。

（6）振荡器。提供1 MHz频率的时钟信号，并且产生电感电流下降斜率一半的斜坡补偿信号。

（7）电流采样模块。采集电感电流，并将其转化为电压，通过采样主开关的电流来间接实现电感电流采集。

（8）软启动模块。实现系统的软启动，在系统启动过程中可以提供随着时间而缓慢上升的参考电压，这样能够避免电感出现浪涌电流，同时可以防止出现输出电压瞬时升高的情况，对系统起到保护作用。

（9）PWM/PFM 自动切换模块。基于负载实现系统模式的自动切换。

（10）电流倒流检测模块。主要作用是避免出现输出端电流往电感方向倒流的情况。在实际运行过程中，当系统处于DCM工作模式时，若电感电流下降为0，则其将PMOS开关管关闭，从而实现上述功能。

（11）Level-shift模块。其能够提升PMOS开关管的驱动电压，达到和输出电压相等，从而实现该开关管的彻底关断。

3 结 论

本文应用了同步整流技术，联合多个不同尺寸的开关管，基于负载的大小来选择导通相应大小尺寸的开关管，还采用了双模自动切换技术，设计了一个高效率升压型DC-DC转换器。该转换器主要包括基准电压源模块、振荡器、误差放大器、PWM比较器、电流限制比较器、开关管选择比较器、电流采样模块、软启动模块、PWM/PFM自动切换模块和Level-shift模块，有效提升了轻度和超轻度负载下的效率，使其效率超过了80%，同时兼顾了重度负载和重度负载下的效率，有效延长了电池的使用时间，提升了遥测系统的工作时间。