使用具有真正负载断开功能的经济高效的升压电源经验

1.前言

快速增长的消费电子市场为升压转换器带来了机遇和挑战。巨大的体积促使市场对成本非常敏感，因此我们需要在解决方案成本和性能之间进行权衡。

2.需要真正的负载断开功能

升压转换器没有用于负载断开的本地机制。即使在升压转换器未运行时，同步场效应晶体管 (FET) 的整流二极管或体二极管也会将电池电压传递给负载。这会导致电池持续放电，即使泄漏电流可能很小。

许多应用需要在电路不工作时完全断开负载并消除电池电流泄漏。例如，电动剃须刀中的升压转换器只需在使用时运行，即可为 LED 背光和电机提升电池电压。由于电动剃须刀大部分时间处于关闭状态，因此断开负载（本示例中的 LED 背光和电机）可以避免耗尽电池电量并延长剃须刀在充电或更换电池之间的服务时间。

显然，具有集成负载断开功能的升压转换器是一种解决方案，但这种器件的成本远高于没有这种器件的转换器。这是因为必须使用背对背连接的两个高侧功率金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 或可以关闭 FET 主体的单个功率 MOSFET 来实现真正的负载断开二极管。这两种实现方式都会大大增加升压转换器集成电路 (IC) 的成本。相比之下，具有外部负载隔离开关的 TPS61322xx 等升压转换器提供了一种经济高效的解决方案。

3.真正的负载断开配置选项

我们可以通过在升压转换器的输入电源路径中放置一个外部开关 Q1 来实现负载断开功能，如图 1 所示。 机械开关、p 沟道 FET、p 沟道 n 沟道 p 沟道 (PNP ) 晶体管、n 沟道 FET 或 n 沟道 p 沟道 n 沟道 (NPN) 晶体管可用作断路开关。

一种流行的选择是机械开关，它不需要任何额外的控制逻辑电路，但失去了由系统微控制器 (MCU) 控制的能力。不过，固态半导体器件更易于控制和稳健。P 沟道或 n 沟道 FET 通常优于 PNP 或 NPN 晶体管，因为后两者消耗连续的基极电流来驱动。

在 n 沟道 FET 和 p 沟道 PFET 之间，n 沟道 FET 的 R DS(on) 小于相同尺寸的 p 沟道 FET 的一半，并且也更便宜。但是，为 n 沟道 FET 设计印刷电路板 (PCB) 布局具有挑战性，因为我们必须使用它来断开接地路径。请特别注意这些系统中的接地布线。一些应用禁止中断接地布线，因为接地损坏会使负载电路带电，这可能是一个很大的风险。

图 1：通过机械开关断开负载

另一种流行的解决方案是在电源路径的高端使用 p 沟道 FET，它不会中断系统接地布线。图2所示为MCU供电电压高于电池电压时的电路配置，MCU直接控制主开关Q1。如果 MCU 的电源电压低于电池电压，通用输入/输出 (GPIO) 电压将不足以成功关闭 Q1。解决方案是使用图 3 所示的配置，其中引入一个小型 n 沟道 FET 或 NPN 晶体管 (Q2) 有助于控制 Q1。

图 2：通过 p 沟道 FET 断开负载，V_MCU > V Battery

图3 ：p 沟道 FET 断开负载，V_MCU < V Battery

如果不考虑接地布线，n 沟道 FET 或 NPN 晶体管可以实现负载断开功能，如图 4 所示。这种方法比 p 沟道 FET 配置更简单，MCU 直接控制 Q1。

图4 ：通过 n 沟道 FET 断开负载

4.开关注意事项

选择合适的负载隔离开关非常重要。与 DC/DC 转换器的 MOSFET 不同，负载隔离开关可以打开或关闭，无需频繁切换。因此，隔离开关的栅极电荷 Qg 和寄生电容不是元件选择的主要问题。不过要注意两点：

· 开关的额定电压应高于电池电压。

· 通过在最大负载下允许大约 1% 的总解决方案效率损失来评估Q1的 R DS(on)。使用公式 1 和 2 计算隔离开关的功率损耗：

其中 IIN RMS是输入电流的均方根 (RMS) 值，R DS(on)是开关的导通电阻。

例如，选择 R DS(on) < 25mΩ的 MOSFET在 500mA 负载下进行 3V 至 5V 转换会导致总效率损失约 1%。栅极阈值应小于最小电池电压，以保证在整个电池电压范围内工作。Q1 应支持启动期间的浪涌电流，在此期间电池将对输入和输出电容器充电，除Q1的 R DS(on)和升压转换器的内部同步 FET外，没有太多限流因素。该浪涌电流不仅与 Q1 栅极电压的压摆率有关，还受输入和输出电容器的影响。

5.检测结果

我使用 TPS613222ADBVR（一个固定的 5.0V 输出电压升压转换器）进行了测试。条件为 V IN = 1.8V、2.7V、3.6V、4.2V，L = 2.2µH。

如图 5、6 和 7 所示，带有和不带有负载断开开关的电路之间的效率差异非常小。最坏的情况是在低 V IN条件下的重负载情况下，因为如果 V IN < 1.8V，Q1 将没有足够的栅极电压来完全驱动 FET。R DS(on)会增加并损害效率。

图5 ：TPS613222A 没有负载断开开关的效率

图6 ：TPS613222A 效率与 n 沟道 FET 断路开关（FDN337N，R DS(on) = 82mΩ，V GS = 2.5V）

图7 ：TPS613222A 效率与 p 沟道 FET 断路开关（FDN306P，R DS(on) = 50mΩ，V GS = -2.5V）

6.结论

像 TPS613222A 这样的器件为需要真正负载断开功能的应用提供了一种经济高效的解决方案。