我與電源二三事 之 我要升壓

上一篇文章（我與電源二三事 之 降本增效）中講到，我從LM7805 開始 接觸電子設(shè)計，后來，隨著對更高耐壓，更高電流及功率的需求，不斷的接觸更先進(jìn)的，效率更高，功率密度更大的電源方案，從線性穩(wěn)壓器到 DCDC 的Buck 電路。從最初 DCDC的異步開關(guān)模式轉(zhuǎn)到使用同步開關(guān)模式。

這里要對線性穩(wěn)壓器再說一點(diǎn)。

在線性穩(wěn)壓器中，輸入輸出電壓壓差比較大的IC，內(nèi)部的開關(guān)管一般選用NPN的三極管或者 NMOS， 而在一些 LDO 中，也就是低壓差的線性穩(wěn)壓器中往往會選用 PNP 或者 PMOS。

這要從線性穩(wěn)壓器的原理圖中分析，我們先看一個選用 NPN 管的線性穩(wěn)壓器。

從上圖中，我們可以計算出，如果想要 NPN 三極管能夠工作起來，就需要

Vin - Vout ≥ Rin*Iin + 2Vbe

而對于 NMOS 管的線性穩(wěn)壓器來說，需要的MOS 管的導(dǎo)通條件為：

Vin - Vout ≥ Rin * Iin + Vgs

我們粗略的估算一下這個式子，假設(shè)Rin＝1kΩ, Iin＝1mA，Vbe＝0.7V，VGS＝1.2V。這種情況下，我們?nèi)绻胍敵鲆粋€ 5V 的電壓，使用 NPN 三極管方案的輸入電壓至少需要 7.4V，而使用 NMOS 的線性穩(wěn)壓器方案的輸入電壓至少需要 7.2V。

那么，我們想要實(shí)現(xiàn)更低壓差的穩(wěn)壓器，就需要選用相對應(yīng)的 PNP 三極管或者 PMOS，如下圖原理所示。

當(dāng)我們將控制管換成 PNP 和 PMOS，我們就不需要一個比輸出更高的電壓來驅(qū)動開關(guān)管，因此，這種LDO穩(wěn)壓器的最小壓差由集電極-發(fā)射極電壓（Vce）和漏源電壓（Vds＝Rdson×Id） 來決定。此時的壓差就可以做的更小。

當(dāng)然，我們還可以進(jìn)一步壓低這個壓差，那就是選擇制造工藝更具優(yōu)勢的 NMOS 作為開關(guān)，然后在外面單獨(dú)設(shè)計一個高壓電源來驅(qū)動。

這個原理看起來似曾相識，沒錯，之前我有一篇文章講過，為什么 DCDC 總有一個升壓電容。

我們終于談到升壓了！

談到升壓電路必然繞不開和 buck 對應(yīng)的 boost 電路，不過這個確實(shí)也是老生常談了，它的電路架構(gòu)和 Buck 非常的相似，不仔細(xì)看都不一定看得出來，下圖中，左邊是 buck，右邊是 boost。

它是把我們 buck 的儲能電感放到了前面，管子，電感，二極管這鐵三角旋轉(zhuǎn)了 90 度，這樣一來就形成了升壓電路。不過我今天要聊的是一些特別的升壓電路。

我遇到的第一個升壓應(yīng)用是驅(qū)動看電影用的LCD鏡片，那些年3D 電影很火熱，開始還是使用紅藍(lán)光的眼鏡，后來就出現(xiàn)了可以電驅(qū)動的主動式 LCD 鏡片，現(xiàn)在影院里面用的似乎都是偏振片了。

這里的 LCD 鏡片可以通過一個高壓驅(qū)動變透明，反過來又可以變暗，忘記對應(yīng)關(guān)系了，總之正反電壓可以控制鏡片的透光度。

我們用這個亮暗交替的鏡片來觀測直升機(jī)螺旋槳的速度，其原理是調(diào)節(jié)鏡片亮暗的頻率，達(dá)到人眼透光鏡片可以看到靜止的槳葉，這樣槳葉的旋轉(zhuǎn)速度就剛好和亮暗的頻率成一個倍數(shù)關(guān)系，直升機(jī)的螺旋槳的速度是在一個范圍內(nèi)，因此可以推斷出槳葉的旋轉(zhuǎn)速度。

這里咱重點(diǎn)說 LCD 鏡片需要的這個高壓。

因?yàn)槲覀冏龅氖且粋€便攜設(shè)備，供電電池使用的是紐扣電池，且只有一個，也就是只有一個 3V，可我系統(tǒng)中需要的是±9V 啊，似乎沒有什么設(shè)計可以難倒工程師，我搜到了下面這樣的電路：

假如我們有一個可以高低電平輸出的電壓信號，就如圖中，在正半周期，我們把電壓加載電路上，電流如①號紅色箭頭所示，它在給電容 C1 進(jìn)行充電，此時電容 C1 上積累電荷產(chǎn)生與電壓源相等的電壓。

接下來，我們開始下半周期，如圖中②號所示的橙色箭頭所示，我們的電壓源將疊加上 C1 的電壓一起通過二極管 D2 給電容 C2 進(jìn)行充電，如果我們這時候用萬用表測量 C2 兩端的電壓，那么我們會得到一個輸入電壓源電壓 2 倍的電壓。

這就是二極管的倍壓電路原理，我們利用這個電路串上兩級就拿到了一個 10V 左右的電壓。

這套電路可以通俗的理解為，我用一個電源給一堆挨個的充電，充電完成后再迅速的把他們串起來，從而獲得一個高壓，不過這個高壓電源的持續(xù)電流很小，畢竟沒有電感。

其實(shí)這樣的巧妙說法在近兩年的手機(jī)中也被應(yīng)用，就是我們國內(nèi)手機(jī)廠商競相爭霸的快充技術(shù)。

因?yàn)槭謾C(jī)的充電線不能太粗，太粗不方便啊，所以就注定了，我們的充電線上不能流過太大的電流，但是我們想獲得更大的功率怎么辦呢？

只能加大電壓，所以我們的 快充從 5V 到 9V，12V，15V，20V，再到最近的 PD3.0 里面直接上到 48V，這跟我們國家的國家電網(wǎng)的高壓輸電線是一個道理。

但是如果我們在內(nèi)部在弄一個降壓電路，對于手機(jī)這種巴掌大的設(shè)備，空間占用的實(shí)在有些奢侈，于是我們還是利用電容，反過來，我們先用高壓給所有電容串起來充滿，然后再迅速的讓他們并聯(lián)在一起提供足夠大的電流。

我第二次遇到升壓電路也很有意思，在我所涉及的電路板中，有兩個電池一同供電，我需要能夠分別控制電池進(jìn)行供電，同時還需要避免兩個電池互相充電，因?yàn)閮蓚€電池會有差異，久而久之就會出現(xiàn)電量不一致的情況。

這里我使用了兩個 NMOS 管并聯(lián)在母線的高邊，然后企圖對這兩個 NMOS 的柵極進(jìn)行控制。

這個電路看起來其實(shí)非常簡單，就是通過兩個超級大的二極管把兩個電源引入進(jìn)來做備份，只是二極管這里換成 MOS 管，可以降低管壓降減小損耗，提供足夠的電流能力。

但是，我們要想控制這兩個 MOS 管，就需要在 MOS 管的 Vgs 上面給一個10V 左右的電壓，這可是要在整個系統(tǒng)的供電電壓上再加 10V。很多人可能首先想到的就是加一個 boost 電路來實(shí)現(xiàn)，可是一個 boost 電路需要一個 IC，一個電感，還有若干個電容才能實(shí)現(xiàn)，成本不低。

還有朋友想到了倍壓電路，其實(shí)可以實(shí)現(xiàn)，但是也會很復(fù)雜，得找合適的電壓去倍，且電池的電壓是浮動的，我的電池是 14 串鋰電池，最低電壓是 42V，最高要到 58.8V 了，肯定倍不準(zhǔn)。

通過我對 DCDC 電路的研究，終于讓我找到了一個既便宜又好用的方法，那就是利用 DCDC 的 Controller，它內(nèi)置了 MOS 以后，會在輸出引腳上有一個高頻的方波，且這個波形的賦值正好是系統(tǒng)電壓。我們只需要在這個電壓上增加 10V 左右就可以了。

這個 10V 在我們的大多數(shù)電路板上都有，因?yàn)槲覀兇蠖鄶?shù)電路板的拓?fù)涠际菑囊粋€高壓先降壓到 12V，再到 5V，3.3V，所以我們就再利用這個 12V 就可以實(shí)現(xiàn)一個比系統(tǒng)電壓高 12V 的電壓，正好用于驅(qū)動母線上的這兩個 MOS 管。

而對于成本，我們只需要幾個二極管和電容就可以了。

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