加入星计划,您可以享受以下权益:

  • 创作内容快速变现
  • 行业影响力扩散
  • 作品版权保护
  • 300W+ 专业用户
  • 1.5W+ 优质创作者
  • 5000+ 长期合作伙伴
立即加入
  • 正文
  • 推荐器件
  • 相关推荐
  • 电子产业图谱
申请入驻 产业图谱

我与电源二三事 之 我要升压

03/12 11:00
3198
阅读需 9 分钟
加入交流群
扫码加入
获取工程师必备礼包
参与热点资讯讨论

上一篇文章(我与电源二三事 之 降本增效)中讲到,我从LM7805 开始 接触电子设计,后来,随着对更高耐压,更高电流及功率的需求,不断的接触更先进的,效率更高,功率密度更大的电源方案,从线性稳压器到 DCDC 的Buck 电路。从最初 DCDC的异步开关模式转到使用同步开关模式。

这里要对线性稳压器再说一点。

在线性稳压器中,输入输出电压压差比较大的IC,内部的开关管一般选用NPN的三极管或者 NMOS, 而在一些 LDO 中,也就是低压差的线性稳压器中往往会选用 PNP 或者 PMOS

这要从线性稳压器的原理图中分析,我们先看一个选用 NPN 管的线性稳压器。

从上图中,我们可以计算出,如果想要 NPN 三极管能够工作起来,就需要

Vin - Vout ≥ Rin*Iin + 2Vbe

而对于 NMOS 管的线性稳压器来说,需要的MOS 管的导通条件为:

Vin - Vout ≥ Rin * Iin + Vgs

我们粗略的估算一下这个式子,假设Rin=1kΩ, Iin=1mA,Vbe=0.7V,VGS=1.2V。这种情况下,我们如果想要输出一个 5V 的电压,使用 NPN 三极管方案的输入电压至少需要 7.4V,而使用 NMOS 的线性稳压器方案的输入电压至少需要 7.2V。

那么,我们想要实现更低压差的稳压器,就需要选用相对应的 PNP 三极管或者 PMOS,如下图原理所示。

当我们将控制管换成 PNP 和 PMOS,我们就不需要一个比输出更高的电压来驱动开关管,因此,这种LDO稳压器的最小压差由集电极-发射极电压(Vce)和漏源电压(Vds=Rdson×Id) 来决定。此时的压差就可以做的更小。

当然,我们还可以进一步压低这个压差,那就是选择制造工艺更具优势的 NMOS 作为开关,然后在外面单独设计一个高压电源来驱动。

这个原理看起来似曾相识,没错,之前我有一篇文章讲过,为什么 DCDC 总有一个升压电容

我们终于谈到升压了!

谈到升压电路必然绕不开和 buck 对应的 boost 电路,不过这个确实也是老生常谈了,它的电路架构和 Buck 非常的相似,不仔细看都不一定看得出来,下图中,左边是 buck,右边是 boost。

它是把我们 buck 的储能电感放到了前面,管子,电感,二极管这铁三角旋转了 90 度,这样一来就形成了升压电路。不过我今天要聊的是一些特别的升压电路。

我遇到的第一个升压应用是驱动看电影用的LCD镜片,那些年3D 电影很火热,开始还是使用红蓝光的眼镜,后来就出现了可以电驱动的主动式 LCD 镜片,现在影院里面用的似乎都是偏振片了。

这里的 LCD 镜片可以通过一个高压驱动变透明,反过来又可以变暗,忘记对应关系了,总之正反电压可以控制镜片的透光度。

我们用这个亮暗交替的镜片来观测直升机螺旋桨的速度,其原理是调节镜片亮暗的频率,达到人眼透光镜片可以看到静止的桨叶,这样桨叶的旋转速度就刚好和亮暗的频率成一个倍数关系,直升机的螺旋桨的速度是在一个范围内,因此可以推断出桨叶的旋转速度。

这里咱重点说 LCD 镜片需要的这个高压。

因为我们做的是一个便携设备,供电电池使用的是纽扣电池,且只有一个,也就是只有一个 3V,可我系统中需要的是±9V 啊,似乎没有什么设计可以难倒工程师,我搜到了下面这样的电路:

假如我们有一个可以高低电平输出的电压信号,就如图中,在正半周期,我们把电压加载电路上,电流如①号红色箭头所示,它在给电容 C1 进行充电,此时电容 C1 上积累电荷产生与电压源相等的电压。

接下来,我们开始下半周期,如图中②号所示的橙色箭头所示,我们的电压源将叠加上 C1 的电压一起通过二极管 D2 给电容 C2 进行充电,如果我们这时候用万用表测量 C2 两端的电压,那么我们会得到一个输入电压源电压 2 倍的电压。

这就是二极管的倍压电路原理,我们利用这个电路串上两级就拿到了一个 10V 左右的电压。

这套电路可以通俗的理解为,我用一个电源给一堆挨个的充电,充电完成后再迅速的把他们串起来,从而获得一个高压,不过这个高压电源的持续电流很小,毕竟没有电感。

其实这样的巧妙说法在近两年的手机中也被应用,就是我们国内手机厂商竞相争霸的快充技术。

因为手机的充电线不能太粗,太粗不方便啊,所以就注定了,我们的充电线上不能流过太大的电流,但是我们想获得更大的功率怎么办呢?

只能加大电压,所以我们的 快充从 5V 到 9V,12V,15V,20V,再到最近的 PD3.0 里面直接上到 48V,这跟我们国家的国家电网的高压输电线是一个道理。

但是如果我们在内部在弄一个降压电路,对于手机这种巴掌大的设备,空间占用的实在有些奢侈,于是我们还是利用电容,反过来,我们先用高压给所有电容串起来充满,然后再迅速的让他们并联在一起提供足够大的电流。

我第二次遇到升压电路也很有意思,在我所涉及的电路板中,有两个电池一同供电,我需要能够分别控制电池进行供电,同时还需要避免两个电池互相充电,因为两个电池会有差异,久而久之就会出现电量不一致的情况。

这里我使用了两个 NMOS 管并联在母线的高边,然后企图对这两个 NMOS 的栅极进行控制。

这个电路看起来其实非常简单,就是通过两个超级大的二极管把两个电源引入进来做备份,只是二极管这里换成 MOS 管,可以降低管压降减小损耗,提供足够的电流能力。

但是,我们要想控制这两个 MOS 管,就需要在 MOS 管的 Vgs 上面给一个10V 左右的电压,这可是要在整个系统的供电电压上再加 10V。很多人可能首先想到的就是加一个 boost 电路来实现,可是一个 boost 电路需要一个 IC,一个电感,还有若干个电容才能实现,成本不低。

还有朋友想到了倍压电路,其实可以实现,但是也会很复杂,得找合适的电压去倍,且电池的电压是浮动的,我的电池是 14 串锂电池,最低电压是 42V,最高要到 58.8V 了,肯定倍不准。

通过我对 DCDC 电路的研究,终于让我找到了一个既便宜又好用的方法,那就是利用 DCDC 的 Controller,它内置了 MOS 以后,会在输出引脚上有一个高频的方波,且这个波形的赋值正好是系统电压。我们只需要在这个电压上增加 10V 左右就可以了。

这个 10V 在我们的大多数电路板上都有,因为我们大多数电路板的拓扑都是从一个高压先降压到 12V,再到 5V,3.3V,所以我们就再利用这个 12V 就可以实现一个比系统电压高 12V 的电压,正好用于驱动母线上的这两个 MOS 管。

而对于成本,我们只需要几个二极管和电容就可以了。

需要了解和探讨更多电路详情和电路分析的朋友

可以领取优惠券加入我的星球哈。

推荐器件

更多器件
器件型号 数量 器件厂商 器件描述 数据手册 ECAD模型 风险等级 参考价格 更多信息
AD5693RACPZ-RL7 1 Analog Devices Inc Tiny 16-Bit I<sup>2</sup>C nanoDAC+, with ±2 (16-Bit) LSB INL and 2 ppm/&deg;C Reference

ECAD模型

下载ECAD模型
$5.29 查看
VNH7040AYTR 1 STMicroelectronics Automotive fully integrated H-bridge motor driver
$5.3 查看
CJS-1200TB 1 Nidec Copal Electronics Corporation Slide Switch, SPDT, Latched, 0.1A, 6VDC, Solder Terminal, Surface Mount-straight, ROHS COMPLIANT

ECAD模型

下载ECAD模型
$1.2 查看

相关推荐

电子产业图谱

多年硬件从业经验,专注分享从研发到供应链,再到精益制造过程中的经验和感悟!