解锁 DC-DC 升压转换器：拓扑、器件、设计技巧大揭秘

发布时间：2025-02-25

来源：罗姆半导体社区 (https://rohm.eefocus.com)

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在科技飞速发展的当下，便携和可穿戴式设备的普及正深刻改变着人们的生活。这类设备的设计不断朝着 3.6 伏或更低供电电压的方向发展，目的是提升续航和整体性能。然而，设备中的一些功能却对高电压有需求，这就凸显了DC-DC升压转换器的重要性，它负责将低电压高效转换为所需高电压。除了了解 DC - DC 升压转换器本身，深入探究 DC - DC 转换器设计、外围元器件的选型方法与 PCB 布局也极为关键，这些知识是打造高效、稳定电源系统的基石，能够帮助我们更好地满足便携和可穿戴式设备的设计需求，接下来就让我们一同深入探索。

在典型的可穿戴式或便携式设备里，锂离子电池是常见的供电来源，其标称输出为 3.6 伏直流电。多数电池供电的应用依赖一个或多个串联的锂离子电池来提供主供电电压，这能满足大部分基础需求。但像是笔记本电脑、平板电脑以及其他移动设备中的一些特定功能，比如白光发光二极管（LED）背光驱动、射频收发器、精密模拟电路，还有光接收器中的雪崩光电二极管（APD）的偏置电路等，都需要更高的电压才能正常工作。而升压 DC - DC 稳压器的出现，完美地解决了这一难题，它能够将低输入电压转换为高输出电压，让这些功能得以顺利实现。

要深入了解 DC - DC 升压转换器，就不得不提到它的典型拓扑结构。升压稳压器主要由电感器、半导体开关（通常为功率 MOSFET）、整流器二极管、集成电路（IC）控制块以及输入和输出电容器构成。当施加 VIN 电压且电源开关关闭时，电流如同一条蓝色的溪流，沿着特定路径通过电感器流到地，此时电感器就像一个能量储存罐，将电能存储在其磁场之中。而二极管处于反向偏置状态，输出电容器则凭借自身存储的电能为负载供电，其两端的电压也随之降低。相反，当电源开关打开，电流就像切换了方向的河流，沿着红色路径流动。因为崩溃的磁场会产生正电压，这个正电压通过正向偏置的二极管，将电感器存储的电能传输出来，为输出电容器充电，并为负载持续供应能量。控制块通过巧妙地改变电源开关的占空比，来应对输入电压变化和负载变化，从而保持恒定的输出电压。输出端的电阻分压器则像一个精准的反馈器，为控制块提供电压反馈，以便调节占空比，确保输出电压维持在所需的值。此外，集成式设计还贴心地加入了多种保护功能，针对超温、输出短路、开路负载条件和输入过流等可能出现的状况，为设备提供全方位的保护。

为了满足不同的应用场景，市场上出现了众多各具特色的升压转换器器件。例如，Texas Instruments 提供的 TPS610993YFFT，它是一款低功耗升压稳压器，就像一个小巧却能量巨大的能量站。其静态电流仅 1µA，却能提供高达 800 毫安（mA）的电流，并且在低至 0.7 伏特的输入电压下，稳定地产生 3.0 伏特的输出电压。它特别针对轻负载条件进行了优化，能在这种情况下最大程度地提高工作效率。而且，它还可以与碱性电池或充电电池，如 NiMH 电池或锂离子电池默契配合。这款器件将电源开关和同步整流器集成到 6 焊球的晶圆级芯片尺寸封装（WCSP）中，尺寸仅为 1.23 毫米 x 0.88 毫米，如此小巧的身材，使其在光学心率监测仪、存储器液晶显示屏（LCD）偏置驱动器等空间受限的应用中如鱼得水。

在设计 DC - DC 升压转换器时，为了实现最佳性能，设计人员需要掌握一系列的设计技巧。首先是开关频率的选择，虽然它不会直接影响输出电压，但却对电源设计有着深远的影响。一般来说，对于特定应用，较高的开关频率能够让设计人员使用更小的电感器和电容器。电感器尺寸主要和允许的纹波电流大小相关，随着开关频率提高，纹波电流会减小。这就意味着设计人员可以在较高的开关频率和较小的电感器之间找到一个平衡点，同时保持相同大小的纹波电流。较高的工作频率不仅能为开关稳压器提供更大的带宽，缩短瞬态响应时间，较小的电感器还能减少电源的尺寸和成本。

电感器作为升压转换器的关键元件，其选择也至关重要。设计人员需要在低电感器电流纹波与高效率之间找到平衡。对于给定的物理尺寸，电感较低的电感器会拥有较高的饱和电流和较低的串联电阻，但较低电感会导致更高的峰值电流，进而使能效降低，纹波增大和噪声提高。在选择电感器时，其额定饱和电流必须大于电感器峰值电流，电感器的 RMS 额定电流必须大于稳压器的最大直流输入电流。

在非同步设计中，二极管的选择也不容忽视。应该使用正向电压较低的肖特基二极管来减少损耗。二极管的平均正向额定电流必须等于或高于最大输出电流，二极管的重复峰值正向额定电流必须等于或高于电感器峰值电流，二极管的反向击穿电压必须高于内部电源开关额定电压。同时，在高温下，二极管的漏电电流也可能对转换器的工作效率产生重大影响，所以对于较高的电流和环境温度，要使用具有良好热特性的二极管。

输入和输出电容器同样在升压转换器中发挥着重要作用。在升压拓扑中，电感器能够消除为稳压器电路供电的电源电路的瞬态需求，从而减少所需的输入滤波。X5R 等级的陶瓷电容器通常能满足 + 85°C 工作温度的需求，但对于 + 125°C 的工作温度，可能就需要低 ESR 的 X7R 电容器。如果电源的阻抗过高，无法将输入电压保持在高负载阶跃下的欠压锁定阈值之上，还可能需要其他的电解电容器或钽电容器。在负载侧，输出电容器可减少负载纹波，帮助在负载瞬态期间提供稳定的输出电压，建议使用 X7R 陶瓷电容器作为输出电容器，因为其他类型的电容器可能具有较高的 ESR，会降低转换器效率。而且，电容器的 DC 额定值应该适当高于最大输出电压 VOUT，因为当接近最大电压时，陶瓷电容器会损失效率。

升压稳压器具有高速开关特征，所以其性能对 PCB 布局非常敏感。寄生电感和电容可能导致高输出纹波、输出稳压效果不佳、电磁干扰（EMI）过大，甚至因高电压尖峰而导致故障。因此，设计人员在进行 PCB 布局时，要将输出电容器的位置靠近器件，并使用短而宽的走线进行连接，以最大程度减少可能导致电压瞬时振荡和尖峰的寄生电感，多个过孔有助于降低寄生电容。放置输出电容器之后，将电感器放置在靠近 IC 的位置，以降低产生的电磁干扰，由于 SW 节点存在电气噪声，所以反馈（FB）信号和其他敏感走线应该远离此节点。输入电容器的接地节点也应该靠近 IC 电源接地引脚，以最大程度减小回路面积。要达到最佳热性能，布局应该包括从器件导热垫（如适用）一直到地平面的散热过孔，这样可以改进散热，降低热关断的风险。电源接地、信号接地和导热垫应该在单个低阻抗接地点连接在一起。

考虑到高效电源设计的复杂性，多家电源半导体供应商提供了实用的在线设计工具，如 Texas Instruments 的 Power Stage Designer™，可帮助工程师设计最常用的开关电源，选择升压、降压 - 升压和 SEPIC 拓扑后，还能协助设计人员比较不同电源 FET 的性能、挑选大容量电容器、确定补偿网络等。ADI 的 ADIsimPower™设计工具组，则能帮助设计人员生成完整原理图和物料清单（BOM），并计算电路性能，还能在考虑 IC 和外部元件的工作条件和局限性的同时，在成本、板面积、能效和零件数量方面对设计进行优化。

升压稳压器在电池供电的便携式设备和可穿戴设备的设计中，无疑扮演着举足轻重的角色。它让我们能够在低供电电压的基础上，顺利使用高电压电路功能。然而，设计人员在实际应用中，必须谨慎选择适合所需升压应用的器件，并且充分注意多种关键设计权衡和最佳实践，包括合理选择开关频率、电感器、二极管、输入和输出电容器，精心进行 PCB 布局等，同时善用在线设计工具，才能打造出高效、稳定的电源系统，为便携和可穿戴式设备的发展提供坚实的技术支持。相信随着技术的不断进步，DC - DC 升压转换器将在未来的电子设备设计中发挥更为重要的作用，推动整个行业迈向新的高度。

关键词：升压型DC-DC转换器IC