可以实现高升压比的 DC/DC 转换器拓扑结构和技术

无论是用于偏置光接收器中的雪崩光电二极管 (APD)，驱动闪光相机中的闪光灯，还是为高电压电容器充电，对高电压源的需求在日益增长。 因此，在输入电源电压低的电池供电装置中，需要通过 DC/DC 转换器产生数倍于输入的电压。 为满足这一要求，Analog Devices、Linear Technology、Maxim Integrated 和 Micrel 等供应商纷纷推出输出电压达 70 V 及 70 V 以上的升压转换器。

本文将考察此类解决方案并讨论每种解决方案采用的拓扑结构和技术。为了利用很低的 DC 输入产生高 DC 电压，这些拓扑结构和技术按照 10:1 或更高的升压比提升输出电压。

高升压比

根据 Analog Devices 的应用说明 AN-1126 ¹，可利用多种 DC/DC 转换器拓扑结构获得相对较高的升压比 (>10:1)。 其中包括简单升压、充电泵倍增式升压和抽头式电感器升压，如图 1 所示。 虽然每种技术都优点众多，但以大升压比实现高功率时其不足也非常明显。


图 1：获得相对较大升压比 (>10:1) 的传统拓扑结构包括 (a) 简单升压、(b) 充电泵倍增式升压以及 (c) 抽头式电感器升压（感谢 Analog Devices 提供数据）。

根据 ADI 的应用说明，在高升压比状态下，简单升压结构会在 MOSFET Q1 上产生高电压和高电流应力，导致很高的开关和导通损耗。 整流器上的高电压也会导致高效肖特基二极管无法使用。 同样，采用充电泵倍增式升压技术时，每个充电泵的倍增器级需要增加两个二极管，这样会减小正向压降。 此外，充电泵必须采用大电容值电容器，避免造成高峰值电流和明显的周期性压降。 高峰值电流也容易增大开关电流的有效值，且这种情况容易造成电流波形崩溃。

根据 ADI 介绍，采用抽头式电感器拓扑结构时，整流器输出上的电压应力高，会遭受变压器泄漏电感的影响。 这种泄漏电感会造成电压尖刺和振铃效应，进而产生 EMI 并增大 MOSFET 和输出整流器上的电压应力。 虽然此类效应可以通过缓冲器控制，但会增加功耗并需要增加元件和板空间。

改进型拓扑结构

ADI 的应用说明 AN-1126 推荐了一种新型转换器拓扑结构。这种结构克服了传统拓扑结构的缺陷，能在大升压比条件下提供大功率，且在开关上产生的电压和电流应力最小。 这样，就可采用中等级 MOSFET 和肖特基二极管，并同时在中等占空比模式下工作，实现更容易的连续导通模式 (CCM) 和 PWM 控制。 另外，还可避免与变压器泄漏电感有关的电压尖刺和振铃效应。

根据 ADI 的应用说明，单端初级电感转换器 (SEPIC) 倍增式升压器（图 2）通过降低主开关和整流器上的电压和电流应力，可实现上述所有目的，并通过减少开关节点上的峰间电压摆动来显著抑制开关损耗、EMI 和噪声。 而且，这种转换器工作在中等占空比模式下，可通过简单的电流控制模式实现 CCM。 据上所述，我们能在元件选型时很轻松地在成本和性能之间进行权衡。


图 2：两级 SEPIC 倍增式升压转换器。¹

SEPIC 倍增式升压技术也存在一些不足。 这种技术不仅会增加串联整流器数量，还会增加电路复杂性和零件数量，其中整流器数量的增加会使总正向电压降增大，导致更高损耗。 而且，在输入和输出电压均高的情况下，不建议采用 SEPIC 倍增式升压技术。

通过在 SEPIC 倍增式升压配置中采用固定频率和电流模式升压控制器 ADP1621，ADI 工程师构建了一个能在 250 mA 输出条件下实现 12 V_DC 输入到 200 V_DC 输出的升压转换器，并对其进行了测试。 该设计中，采用额定电压为 60 V 的 MOSFET 和肖特基整流器，并将比较器 ADCMP354 (U2) 用于输入欠压锁定 (UVLO)。 根据 ADI，实际证实了这种转换器的能效超过 91%。 ADI 的应用说明详细讨论了这种电路的元件选型情况。


图 3 ：这种基于 ADP1621 的 DC/DC 升压转换器采用 5x SEPIC 倍增式升压配置，在 250 mA 输出条件下可将 12 V_DC 输入提升至 200 V_DC 输出。

反激式充电器

针对采用电容器向灯泡进行高电压放电的闪光灯和频闪器件，Micrel 开发出一种采用开关稳压器 MIC3172 的反激式升压充电器电路。 如图 4 所示，这种电路结构简单，能利用 3 - 10 V_DC 输入可靠地产生 300 V_DC 输出，为高电压电容器充电。 该器件由反激变压器保证电路安全和隔离。 如在 Micrel 应用说明 ² 20 中讨论的那样，利用 MIC3172 的电阻分压器（R1、R2 和 R3）和内部 1.24 V 基准输出电压进行了预设置。 预设置电压的计算方法为 

V_OUT = V_REF[1 + (R1 + R2)/R3]

该电路的元件数量最少，减小了板空间并提升了可靠性。 Micrel 指出，电容器上的电压会随着每个开关周期的变化而增加，直至达到预设电压值；一旦达到预设值，MIC3172 便停止开关动作。 根据 Micrel，由于输出元件的能量泄露会造成电容器放电超时，因此 MIC3172 会输出临时能量脉冲，以保持电容器充分充电。 当输出电容器向灯泡放电时，会重复充电。


图 4：采用 MIC3172 开关稳压器的反激式升压充电器电路。 该电路可利用 3 - 10 V_DC 输入提供 300 V_DC 输出。

同样，为了对光接收器中的 APD 进行偏置，Linear Technology 开发出一款名为 LT3571 的电流模式升压型 DC/DC 升压转换器，该升压转换器能利用低至 5 V_DC 的输入产生高达 75 V_DC 的输出。 该器件采用高压侧固定压降 APD 电流监视器，在整个温度范围内拥有优于 10% 的相对精确度。 集成的功率开关、肖特基二极管和 APD 电流监视电路能实现低成本、小基底面解决方案。 该器件将传统的电压环路和独创的电流环路相结合，可用作恒流源或者恒压源。 该器件的产品规格书详细讨论了具体应用情况。 针对要求 APD 电流监视电路精度大约为 2% 的类似应用，Linear 推出具有更窄输入电压范围的 LT3905 器件。

总之，工程师们会发现多家供应商在提供升压比相对较高的 DC/DC 升压转换器。 不过，每种解决方案都是独特的且优劣并存。 因此，设计人员必须仔细阅读产品规格书，确保能设计出适合既定最终应用的解决方案。

如需详细了解本文讨论的零件，请使用文中提供的链接访问 DigiKey 网站上的产品页。

参考文献

1. 应用说明 AN-1126，美国马萨诸塞州 Norwood 的 Analog Devices
2. 应用说明 20《闪光灯高压电源》，作者 Micrel Inc. 的 Steve Chenetz