ag真人平台官方

首页 > 技术与支持 > 应用与技术文章 > 技术帖

【技术帖】升降压原理浅析

2023-03-14



在消费类电子和家电市场等领域,为了实现更复杂的产品功能,需要多类型芯片、模组、最小系统等一起配合。然而,各模块工作电压会有差异,故就需要对电压进行转换,因此就衍生出升压和降压芯片,这类产品统称为DC-DC电源芯片。


升降压分类

1. 开关型

通常有升压、降压、降压-升压等拓扑结构。

在每一个开关周期内,交替地将能量从电源传递到电感和电容,从而通过储能元件(电感)将输入能量传递到输出端。


2. 线性稳压型


即LDO,只用在降压转换结构中。

内部功率管工作在线性区,通过线性调整内部功率管,确保输出电压Vout为参考电压Vref达到某个预置的比例值。

3. 电荷泵

常用于倍压电路中,有正压和负压转换。

在电能转换的过程中,仅使用了电容器件。

以ag真人平台官方Smart K音频PA AW873XX为例,其配备1.5倍/2倍Charge-pump电荷泵升压模块,LCD Bias AW3750x 负压的产生,也使用了电荷泵的电源模块。

工作原理

这里对常用的升降压和LDO做原理介绍。

1. 开关升压电路

为了解Boost电路原理,ag真人平台官方以常规非同步升压为例,讲述BOOST电路的工作方式,下图为BOOST电路的基本架构(若把二极管换成MOS管,则构成同步升压架构):


1. 当开关S1闭合时,Vin给电感L1充电,见绿色充电路径,充电时间 = 占空比D*开关周期T。

根据电感的伏安特性关系,  ,其中  是电感电流的变化量, 是电感电流变化持续的时长。



是充电时电感电流的变化量
是电感充电时长


2.当开关S1断开时,电感中的能量会通过二极管给负载放电,见红色放电路径,与此同时,Vin也会通过二极管给负载放电,两个电压叠加到Vout实现升压,放电时间:

=(1-占空比D)*开关周期T 


是放电时电感电流的变化量

是电感放电时长


3.一个开关周期内,充电和放电的电流变化相同,系统才能稳定


结合1和2,得公式:


由于D<1,得Vout>Vin,实现升压。

升压过程本质是电感能量传递的过程,开关S1重复进行通断操作,会使得输出端既可以得到一个高电压,又可以保持一个持续的稳定电流。

2. 开关降压电路

降压电路也称BUCK电路,常规的非同步BUCK电路由电感、二极管、开关、电容组成,对于非同步buck电路,也可以理解为电路有一个开关,通过不断开启和关闭,由二极管对电感续流放电,如下图:


1.当开关S1闭合时,Vin给电感L1充电,见绿色充电路径,电感电流不断增加,加在电感两端的电压是,和升压是相同的计算方法,



是充电时电感电流的变化量

是电感充电时长

2.当开关S1断开时,由于电感上的电流不能发生突变,此时反向的二极管派上用场,为电感的放电提供了路径,见红色放电路径,这里二极管也称续流二极管,放电时长:

电感放电能量为:




是放电时电感电流的变化量
是电感放电时长
3.BUCK同BOOST一样,工作本质都是对电感的充放电过程,BUCK稳定之后,电感的充放电电流是相等的。


结合1和2,得公式:

由于D<1,得Vout<Vin,实现降压。

3. LDO

通常LDO内部由PMOS管组成,由于先天条件的不足,输入电流和输出电流是相等的,LDO输入和输出会产生的压差,这部分压差和电流会产生一定的功耗:


这部分功耗都会体现在LDO发热上,故LDO效率都比较低,过电流能力也相对较小。

当然也有NMOS管架构的LDO,以适用较大电流低压差的应用场景。下面着重对PMOS管架构LDO的工作原理进行简单介绍。

LDO主要由功率MOS管、运放、基准电压和反馈电阻组成。

主要工作流程是Vout电压通过分压电阻分压,分得的电压和基准电压Vref进行比较,通过运放比较后,输出的电压来控制PMOS栅极,增加PMOS输出电流,从而提升Vout输出,见如下红色路径:


那么,LDO是如何稳定输出电压的呢?当LDO负载变化时,VOUT会随之降低,两个电阻R1、R2分压的电压也会降低,和运放比较后,运放的输出电压也随之下降,从而PMOS管栅极电压Vg降低,由于VIN不变,Vgs电压会增加,从而提高PMOS的输出能力,输出电流的增加,就会让VOUT再度上升,从而使VOUT一直保持平稳的输出。

优劣势

上面讲述了开关电路(BOOST电路、BUCK电路)和线性稳压器LDO的基本工作原理,但是什么时候用开关电源,什么时候用线性电源呢?这就要从工程师所关注的性能指标来综合决定了:输出电流、温升情况、开关噪声、外围器件、效率、价格等。




为了覆盖不同的客户需要,ag真人平台官方推出了一系列具备不同性能指标的升降压产品,包括Boost、Buck及LDO芯片,适用于手机、平板、穿戴电子设备、各类NB-IoT等应用。无论是客户关注的电流、占板面积还是温升、外围元件等特性,ag真人平台官方的产品总有一款可以符合客户需求。

ag真人平台官方升降压产品及应用场景

1. Boost

Boost多用在电池供电的低压产品中,如手机/平板的USB OTG、穿戴产品监测模块供电等。

在ag真人平台官方Digital Smart K、Smart K、高压马达驱动等产品中,也都能看到电感升压和Charge Pump升压产品的身影。

ag真人平台官方BOOST主推型号

以ag真人平台官方明星Boost产品AW36099系列为例,其是一款静态电流仅为1uA的高效率超低功耗同步升压转换器。适用于一切采用碱性电池、镍氢电池、锂锰电池、锂亚电池及其它可充电锂离子电池供电的电子设备,特别是对电池使用时间及寿命有较高要求的便携及可穿戴电子设备、各类NB-IoT应用等。

AW36099系列有CSP和DFN两种封装形式,有可调输出版本,同时也有2.5V、3.0V、3.3V、3.6V、4.5V、5.0V固定电压输出版本,方便工程师灵活选择,典型应用电路如下:

2. Buck

为适配更完善的降压方案,ag真人平台官方BUCK产品有常规2A/3A输出电流的降压芯片,同时也配备了专给射频PA供电的APT BUCK,其工作电压低、输出电流高成为一大亮点。

ag真人平台官方BUCK主推型号

针对NB-loT系统方案,ag真人平台官方有专为射频PA供电的APT Buck。射频系统正常工作时,BB根据RF PA的发射功率配置它的供电电压,RF PA的发射功率强时,供电电压高,RF PA的发射功率弱时,供电电压低。

AW37416/37426根据BB给出的控制信号实时调整输出电压,实现APT功率追踪,动态调整PA供电电压,降低不必要的功率损耗,最终实现系统效率最佳化,可参考如下基本应用框图:



为了更加契合产品应用,ag真人平台官方即将推出APT Buck-Boost产品,该新品采用Charge Pump+Buck的架构实现自动升降压功能,拥有95%的超高效率,MIPI2.0接口加持,并支持OVP、 OTP、OCP等输入输出保护,支持同时为后级2个PA供电,更加拓展了Buck-Boost产品的适用性,敬请期待!

3. LDO


在常规电子类产品中,低电压小电流的系统日益增多,LDO在电子系统中随处可见。


ag真人平台官方LDO主推型号

ag真人平台官方LDO产品系列非常丰富,覆盖从300mA到1200mA输出电流的应用。300mA和500mA输出电流档位的LDO有SOT23-5L的常规封装,同时也有DFN1X1的超小封装,节省PCB摆件面积;大电流1A输出的LDO以及转给Camera供电的4通道PMIC,拓展了LDO的应用场景。

ag真人平台官方AW37030和AW37050系列具备高PSRR(90db)和低Noise(33uV)的特性,为常规Camera供电带来了福音,多样化的输出电压(1.1V-3.3V)也是其一大亮点。

主打超低功耗的AW37103系列为纠结功耗工程师们带来了答案,超低的静态功耗(2uA)是其最大的亮点,兼备了固定输出电压版本(0.8V-3.3V)和可调输出版本。


AW3707/AW3710系列,主打大电流输出,同时具备可调输出和固定输出版本,其独特的封装在芯片散热上具有明显的优势。

有“电”的地方就有ag真人平台官方芯


为了满足各种应用场景,ag真人平台官方电产品线致力于打造成一家IC超市——ag真人平台官方之“店”。除了上述芯片产品,ag真人平台官方电源管理芯片产品还包括功率转换器件(LDO/DCDC)、功率路径和信号路径防护器件(OVP/OCP)、充电芯片(Linear/Switch/Charge Pump)及多种规格的MOS产品。产品种类一应俱全,覆盖多场景、多应用的需求。

凭借丰富的种类、优异的性能、卓越的品质、高可靠性、响应快速的销售和客户支持团队五大优势,ag真人平台官方现已为Meta、比亚迪、谷歌、Garmin等众多工业、汽车、新智能硬件领域的品牌厂商提供优质的电源解决方案。


Meta Quest Pro选用多款ag真人平台官方电源产品
ag真人平台官方之电,安全在里面
(点击图片回顾精彩内容)




比亚迪元PLUS、唐两款车型选用ag真人平台官方自研低静态功耗产品LDO,提供高质量的电源供电,延长车载MCU使用寿命,提升驾驶安全性。
(点击图片回顾精彩内容)



谷歌Pixel Buds搭载ag真人平台官方电源产品为设备提供稳定的电源输入


Garmin Venu Sq 2内置ag真人平台官方之电,显著延长可穿戴设备的电池运行时间,为系统应用更好地发挥作用保驾护航
(点击图片回顾精彩内容)

作为国内高性能混合信号、电源管理、信号链的主要供应商之一,ag真人平台官方本着“客户需求是ag真人平台官方存在的唯一理由”的核心价值观,紧跟行业变革,紧贴市场需求,持续探索各领域电源应用全方位解决方案,以优质可靠的产品为行业、为市场带来更多技术呈现,为用户打造更舒适、更安全的电子设备体验,让更多人注意到——有“电”的地方,就有ag真人平台官方芯!