【模拟课堂】​利用分离轨方法扩大升压转换器输入电压范围

作者：Haifeng Fan，德州仪器 (TI) 系统工程师

引言

宽输入范围DC/DC控制器通常都具有内置欠压锁定（UVLO）电路，以在输入电压低于UVLO阈值时防止转换器误操作。但是，在一些应用中，启动时的输入电压高于UVLO阈值但稍后却可能降至该阈值以下，倘若出现负载瞬态或者超级电容放电，UVLO电路便可能会引起我们不需要的关断。除此以外，在一些应用中，输入电压始终低于UVLO阈值，我们一般无法使用这些控制器。本文为您介绍几种分离轨方法，用于扩大升压转换器输入电压范围，从而让我们可以使用这些输入电压低于其UVLO阈值的控制器。文章提供了设计例子和测试结果，旨在验证这些方法的有效性。

升压转换器的最小输入电压
图1显示了单输入电源 (VIN) 的典型升压转换器，其向功率级提供输入电压，并向控制器提供偏置电压。VIN引脚的控制器最小偏置电压由控制器的输入UVLO阈值设置。为了保证高侧电流检测升压转换器的功能（请参见图1a），功率级的最小输入电压由电流检测比较器的最小共模电压定义。这是因为，输入电压同时也连接电流检测比较器的非反相输入。电流检测比较器的最小共模电压通常小于控制器的输入UVLO阈值。对于低侧电流检测的升压转换器（请参见图1b）来说，功率级的输入电压并非直接连接电流检测比较器。因此，不要求匹配最小共模电压。所以，使用单轨结构时，功率级的输入电压和控制器的偏置电压连接在一起，这样，控制器的输入UVLO阈值便强行限制了升压功率级输入电压下降的程度。

图1 单轨结构升压转换器

如图2所示，升压转换器的输入电源可以被分离为两个轨：功率级输入轨 (VIN)和控制器的偏置输入轨 (VBIAS)。使用分离轨结构时，尽管仍然要求VBIAS高于控制器的UVLO阈值来开启控制器，但是，VIN可以降至UVLO阈值以下。由于VBIAS仅需提供非常小的功率，因此其可以由一个充电泵产生，甚至可以共用另一个系统内已存在的电压轨。这样，便可以扩大电源轨 (VIN) 的电压范围。

图 2 分离轨结构升压转换器

本文将为您介绍几种实施这种分离轨结构的方法。TI的TPS43061同步升压控制器，将用于阐述这种分离轨概念，并验证所介绍方法的有效性。该升压控制器拥有一个高侧电流检测比较器，并在偏置电源输入 (VIN) 引脚有一个内部输入UVLO电路。

图3显示了图1a所示单轨结构下升压转换器的关闭波形。一旦VIN降至3.9V（控制器的UVLO关闭阈值）以下，转换器便停止开关操作。仅当VIN升至4.1V UVLO开启阈值以上时，升压转换器才会开启。

图3 单轨结构升压转换器的关闭波形

扩大启动后的输入电压范围

在一些仅有一个输入电源的应用中，启动时，输入电源电压大于控制器的UVLO开启阈值。但在启动之后，它会降至输入UVLO阈值以下，从而导致意外关闭。例如，在使用光伏板和超级电容作为输入电源的电力系统中，放电会使输入电压降至控制器UVLO关闭阈值以下。另一个例子是，USB电源线驱动的电源系统，在负载瞬态期间，其电压会明显下降，导致意外系统关闭。

就这些应用而言，如果VOUT在VBIAS规格范围内（其总是大于UVLO开启阈值），则VOUT可通过一个二极管反馈为偏置电源 (VBIAS)。在启动以后，VBIAS被控制在VOUT，其大于VIN，并且即使在VIN降至该阈值以下时它也保持在UVLO阈值以上。只要VIN可以满足电流检测比较器的最小共模电压要求，升压转换器便可以维持正常工作。

图 4 将VOUT反馈为偏置电源的分离轨方法

图5显示了图4所示升压转换器的关闭波形，其中，VOUT设置为6V，并且反馈为偏置电源。忽略二极管正向压降的情况下，启动后VOUT高于VIN时，偏置电源电压 (VBIAS) 被控制为大于VIN的VOUT。因此，当VIN降至3.9V以下时，VBIAS保持在3.9V UVLO关闭阈值以上。VOUT保持稳压范围以内，直到VIN降至电流检测比较器的最小共模电压以下（本例中为1.9V）。这就意味着，启动后的最小输入电压（VIN）从3.9V降至1.9V。

图 5 图4所示结构的关闭波形

扩大启动输入电压范围

锂离子 (Li-Ion) 电池广泛应用于智能电话、平板电脑和其他手持设备中。由于需要放电和充电，单节锂离子电池3.6V的额定电压通常具有2.7V到4.2V的范围。即使在启动之前，它也比一些宽输入范围升压控制器的UVLO阈值要低。就这些应用而言，不管是单轨方案还是把VOUT反馈为偏置电源的分离轨方法都不起作用。我们需要一种不同于电池输入的单独偏置电源。

幸运的是，偏置电池仅需提供非常低的功率。如果在系统中，存在另一个高于已有UVLO开启阈值的电源轨，则它可以在连接电源轨 (VIN) 至电池（请参见图2）的同时连接至VBIAS。如果没有，则可以为偏置电源添加一个充电泵（请参见图6）。

图 6 利用充电泵产生偏置电压的分离轨方法

在本例中，由于电池输入范围为2.7V到4.2V，因此TI的TPS60150充电泵产生一个经过稳压的5V电源，其高于TPS43061控制器的UVLO开启阈值，这样它便可以用作偏置电源。通过一个使用分离轨方法的充电泵，升压转换器可以使用一个电压高于升压控制器UVLO开启阈值的单输入电源来启动和运行。

图7显示了图6所示升压转换器的启动波形。尽管VIN仅为2.7V，但由于VBIAS在5V下稳压，因此该转换器可以使用一个单2.7V电源启动和运行。通过这种分离轨方法，升压转换器的最小工作输入电压范围从4.1V进一步扩展至2.7V。

图 7 图6所示结构的启动波形

结论

升压转换器工作通常要求两个输入：功率级输入电源和控制器偏置电源。控制器的UVLO阈值决定了偏置电源的下限。另外，如果这两个轨连接在一起共用一个输入电源，则它还限制了功率级的输入电源。分离轨方法把电源轨分离于偏置电源轨，目的是消除对电源轨最小工作电压的限制。这样做可扩大升压转换器的输入电压范围。