概述

DS1875具有脈寬調(diào)制（PWM）發(fā)生器，可用于控制DC-DC轉(zhuǎn)換器。在典型應(yīng)用中，PWM控制器用于升壓轉(zhuǎn)換器，為雪崩光電二極管（APD）產(chǎn)生偏置電壓。DS1875中的PWM控制器可以工作在連續(xù)或不連續(xù)導(dǎo)通模式。為了產(chǎn)生APD所需的高偏置電壓，DC-DC轉(zhuǎn)換器必須在不連續(xù)模式下工作。圖1所示為使用DS1875 PWM控制器的簡單升壓轉(zhuǎn)換器。

本應(yīng)用筆記描述了DS1875升壓轉(zhuǎn)換器的工作原理。本文介紹如何選擇電感和開關(guān)頻率，然后選擇可提高轉(zhuǎn)換器效率的元件。

圖1.使用DS1875 PWM控制器的DC-DC轉(zhuǎn)換器示意圖請注意，本應(yīng)用筆記的R1和C3設(shè)置為0。請參考DS1875數(shù)據(jù)資料，了解選擇這些濾波器元件的信息。

升壓轉(zhuǎn)換器操作

DS1875在SW引腳上提供PWM信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)DC-DC轉(zhuǎn)換器。在每個(gè)SW期間，升壓轉(zhuǎn)換器具有充電階段和放電階段。圖2顯示了充電和放電階段的電感電流和電感電壓。

當(dāng)晶體管Q1導(dǎo)通時(shí)，充電階段發(fā)生，將輸入電壓VIN置于電感L1兩端。二極管D1防止電容器C2通過Q1放電至地。由于輸入電壓為直流，電感電流呈線性上升，如圖2所示。電感電流的公式由下式給出：

充電階段存儲(chǔ)在電感中的能量由下式給出：

IPK是電感中流動(dòng)的峰值電流。該電流發(fā)生在充電階段結(jié)束時(shí)。使用公式1，該峰值電流可以計(jì)算為：

其中D和T是開關(guān)頻率的占空比（%）和時(shí)間段。公式3可以代入公式2，給出充電階段存儲(chǔ)在電感中的能量：

放電階段在Q1關(guān)斷時(shí)開始。在放電階段，存儲(chǔ)在電感中的能量被傳遞到輸出端。這種能量之所以被轉(zhuǎn)移，是因?yàn)榧词乖赒1關(guān)斷后，電感電流仍繼續(xù)流動(dòng)。電流現(xiàn)在流過二極管D1流向輸出電容C2。為了使電感電流流入二極管，VL處的電壓需要大于VOUT處的電壓。

圖2顯示了當(dāng)電感電流開始流過二極管時(shí)VL處的電壓出現(xiàn)大尖峰?，F(xiàn)在電感兩端有一個(gè)大的負(fù)電壓，通過電感的電流斜率反轉(zhuǎn)。由于電感兩端的電壓很大，電感中的電流將迅速降至零。一旦電感中存儲(chǔ)的所有能量都注入輸出，電感電流就會(huì)降至零。由于沒有更多的電流來維持VL電壓，因此該節(jié)點(diǎn)回落到輸入電壓VIN。放電階段的電感電流由下式給出：

圖2.電感電流和電壓。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器的效率

DC-DC轉(zhuǎn)換器中有許多損耗源會(huì)降低系統(tǒng)的效率。這些損耗可分為兩大類：峰值電感電流引起的效率損耗;以及電路每次從充電階段切換到放電階段時(shí)發(fā)生的開關(guān)損耗。我們將依次討論每種類型的損失。

電感電流引起的效率損失主要有三個(gè)來源。兩個(gè)最重要的源極是晶體管導(dǎo)通時(shí)的漏源電阻和電感的直流電阻。這兩種動(dòng)作都會(huì)增加與電感串聯(lián)的電阻。這些電阻消耗輸入功率，并在充電階段降低電感兩端的電壓。當(dāng)電感器通過二極管放電時(shí)，也會(huì)發(fā)生與電感電流成比例的功率損耗。

開關(guān)損耗發(fā)生在DC-DC轉(zhuǎn)換器的每個(gè)周期內(nèi)。最明顯的開關(guān)損耗是由電路中的寄生電容引起的。每次電感通過二極管放電時(shí)，二極管陽極處的節(jié)點(diǎn)都需要充電至大于V外.該節(jié)點(diǎn)還具有晶體管的漏源電容和陽極電容，兩者都需要在二極管導(dǎo)通開始之前充電。

還有其他開關(guān)損耗來源。開關(guān)損耗發(fā)生在每個(gè)充電周期開始時(shí)，此時(shí)晶體管的柵極電容需要在晶體管導(dǎo)通之前充電。電感中的磁芯損耗是能量損耗的另一個(gè)來源。隨著開關(guān)頻率的增加，電感中的磁芯損耗也會(huì)增加。這些損耗的大小取決于電感磁芯材料和尺寸。開關(guān)損耗也發(fā)生在二極管的反向恢復(fù)時(shí)間內(nèi)。在此期間，允許存儲(chǔ)在輸出端的電荷流過電感器。

將效率損失降至最低

正確的元件選擇和PCB布局對產(chǎn)生的寄生損耗有顯著影響。系統(tǒng)的運(yùn)行也可以通過兩種不同的方式來管理，以提高效率。第一種方法是減小電感電流，從而降低電感和晶體管的電阻損耗。第二種方法是減少系統(tǒng)的切換周期。

通過增加電感器的尺寸和系統(tǒng)工作的占空比，可以降低DC-DC轉(zhuǎn)換器中的電感電流。只要電感存儲(chǔ)相同量的能量，然后在每個(gè)時(shí)間段注入輸出，就可以改變占空比和電感尺寸。圖3顯示了三個(gè)電感器（分別為1、2和4亨利），每個(gè)電感施加1V，充電直到它們存儲(chǔ)2焦耳的能量。4H 電感器充電到相同的 1 焦耳存儲(chǔ)能量水平所需的時(shí)間是 2H 電感器的兩倍，占空比是 <>H 電感器的兩倍或占空比的兩倍。

圖4顯示了這三個(gè)電感充電時(shí)流經(jīng)的電流?？梢钥闯?，1H電感需要2A的電流，而4H電感只需要1A的電流。這說明了選擇更大的電感和增加DC-DC轉(zhuǎn)換器的占空比如何降低電感電流。

圖3.存儲(chǔ)的電感能量。

圖4.電感電流。

每次電路切換時(shí)，轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)損耗都會(huì)發(fā)生。這些損耗與電感電流無關(guān)，與開關(guān)周期成正比。因此，使用最長的開關(guān)周期是有利的，以便系統(tǒng)正常運(yùn)行。但是，較長的開關(guān)周期需要更大的電感值。增加電感值會(huì)增加電感器的直流電阻，并且可能需要使用物理上也更大的電感。

圖5所示為采用DS1875PWM控制器的DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率與負(fù)載電流的關(guān)系。該圖顯示，增加電感會(huì)增加占空比，從而提高效率。它還表明，由于開關(guān)損耗降低，較長的時(shí)間段導(dǎo)致更高的效率。此示例轉(zhuǎn)換器使用 BSSS123 n 溝道 FET 和 1N4148 二極管。表1顯示了所用兩個(gè)電感的參數(shù)。

圖5.DC-DC 轉(zhuǎn)換器的效率從 76.3V 產(chǎn)生 3V。

電感器、占空比和時(shí)間段的選擇

設(shè)置升壓轉(zhuǎn)換器的第一步是確定所需的輸出電壓和負(fù)載所需的最大電流。升壓轉(zhuǎn)換器的可用能量需要大于所需的輸出能量和電路中的所有組合損耗。轉(zhuǎn)換器效率由η表示。在計(jì)算電路元件和設(shè)置時(shí)，0.4至0.75的效率是一個(gè)合適的起點(diǎn)。每個(gè)時(shí)間段所需的總能量為：

將輸入能量（公式4）和輸出能量（公式6）相等，然后將兩邊除以T，得到系統(tǒng)中能量相等的方程：

希望DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作盡可能接近最大占空比。DS1875的最大占空比為90%。使用DS1875正確設(shè)置的DC-DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的占空比應(yīng)在80%至85%之間。這將盡可能降低電感電流，但如果效率低于預(yù)期，仍會(huì)留下額外的占空比裕量。

時(shí)間段應(yīng)盡可能長，以減少開關(guān)損耗。DS1875提供四種不同的開關(guān)頻率可供選擇：131.25kHz、262.5kHz、525kHz和1050kHz。在為 DC-DC 轉(zhuǎn)換器選擇工作頻率和電感時(shí)，必須考慮較長開關(guān)周期和較大電感值之間的權(quán)衡。

典型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的計(jì)算示例

以下是使用系統(tǒng)要求和初始假設(shè)進(jìn)行計(jì)算，以確定特定應(yīng)用所需的電感器。

使用公式8中的公式，計(jì)算出17.5μH的電感值。選擇15μH的標(biāo)準(zhǔn)值。表2給出了使用DS1875作為PWM控制器的其他常見DC-DC轉(zhuǎn)換器配置。下表顯示了計(jì)算出的電感和所選的開關(guān)頻率。該表是使用50%的效率和80%的目標(biāo)占空比計(jì)算的。

二極管選擇

在為 DC-DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用選擇二極管時(shí)，必須考慮四個(gè)參數(shù)。首先，二極管的反向擊穿電壓必須大于轉(zhuǎn)換器輸出端的電壓。其次，二極管必須能夠在電感器推動(dòng)通過二極管的正向電流下工作。在DC-DC轉(zhuǎn)換器中，此電流（IPK） 可以是幾百毫安。第三，為了盡量減少二極管導(dǎo)通時(shí)的功率損耗，正向電壓應(yīng)盡可能小。一些應(yīng)用甚至可能使用肖特基二極管，因?yàn)樗鼈兙哂械偷枚嗟恼螂妷?。最后，選擇反向恢復(fù)時(shí)間短的二極管將限制二極管從導(dǎo)通級(jí)切換到非導(dǎo)通級(jí)時(shí)損失回輸入端的輸出電荷。

電感器選擇

在為DC-DC轉(zhuǎn)換器選擇電感時(shí)，應(yīng)考慮三個(gè)參數(shù)。首先，最關(guān)鍵的參數(shù)是電感的飽和電流。如果電感的飽和電流小于轉(zhuǎn)換器所需的峰值電流，則轉(zhuǎn)換器將無法提供必要的輸出功率。其次，設(shè)計(jì)人員必須考慮電感的直流電阻。最后，應(yīng)考慮電感的物理尺寸。為了降低直流電阻，如果電感的物理尺寸不大，則可以考慮采用較大封裝的電感器。

電感器的最終選擇將取決于DC-DC轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵要求。

晶體管選擇

所選晶體管必須能夠承受電感通過二極管放電時(shí)產(chǎn)生的漏源電壓。晶體管的額定漏極電流需要大于峰值電感電流。為了最大限度地降低開關(guān)損耗，最佳晶體管還應(yīng)具有低柵極-源極和漏源-源極電容。

紋波濾波器選擇

由R1和C3組成的濾波器可用于紋波抑制。DS1875數(shù)據(jù)資料描述了如何選擇這些元件。R1的選擇會(huì)對系統(tǒng)效率產(chǎn)生重大影響。根據(jù)所選擇的R1值，當(dāng)APD吸收高電流時(shí)，R1可能會(huì)消耗大量功率。

印刷電路板布局

正確的PCB布局可以降低DC-DC轉(zhuǎn)換器開關(guān)節(jié)點(diǎn)處的電容。減小電容可降低開關(guān)損耗，從而提高效率。適當(dāng)?shù)牟季诌€可以降低DC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的開關(guān)噪聲。以下應(yīng)用筆記更詳細(xì)地討論了DC-DC轉(zhuǎn)換器的布局。

審核編輯：郭婷