摘要：即使在输入电压超过输出电压情况下，我们仍可用新型的区域高效方法来调节升压转换器的输出，我们在此介绍的就是这种方法。我们不用 LDO 就可实现下降转换 (down conversion)，而且不像 SEPIC 或其他非反相升降压转换器那样，需要额外的电感线圈及电容器。此概念建立在 PMOS 类型同步整流器的背栅 (back-gate) 控制基础之上，可避免电路在所谓"下降模式"下工作时的基底二极管正向偏置。转换器采用 10 引脚的 MSOP 封装，只需要一个外部电感器与电容器。输出电压调节范围在 1.8V 至 5.5V 之间，输出电流最大可达 200mA。在持续升压模式下工作时，效率超过 85%，而且可上升至 95%。在下降模式中，效率通常在 55% 至 75% 之间。我们实施可选的节电或节电模式，则可提高轻负载的效率。

引言
目前的电池供电便携式电子产品需要高效的电源解决方案，以满足高度集成的系统延长电池寿命并降低散热问题的要求 [5]、[4]、[1]。另一方面，对于一个或多个电池提供的大范围输入电压，电源的输出电压应保持恒定。
例如，我们假定双节碱性电池、NiCd 电池或 NiMH 电池供电的系统所需的电源电压为 2.8V，通常一节新的碱性电池可提供 1.6V 至 1.65V 的电压，两节串联时则可提供 3.3V 的电压。图 1 显示了两节碱性电池串联在升压转换器电路输入处无负载以及阻性负载约为 33Ω 时的放电情况，至少在 90% 的寿命中，电池电压都低于 2.8V。在此区域中，升压转换器将是最佳选择。但由于新电池提供高达 3.3V 的较高电压，因此我们在此情况下用标准的升压转换器无法生成正确的输出电压。
生成所需的 2.8V 输出电压的一种可能方法就是采用类似 SEPIC 或 Cuk 转换器的升降压转换器 [2]、[3]，它可提供降压转换，直到电池放电至每节 1.5V 的额定电压为止，然后再进行升压转换，直到电池放电达到转换器可接受的最低输入工作电压为止。上述电路的主要缺点在于，至少需要两个电感线圈及一个额外的电容器。
升降压转换器的输出功率计算如下：

电路结构
图 2 给出了升压转换器的电路结构。芯片上的集成部分（虚线框内）包括带有同步整流器的升压转换器标准拓扑，以及 MOS 开关的背栅控制与电压模式控制单元。
对于同步整流器，我们采用了低损耗 PMOS 晶体管。PMOS 的背栅可在 V_out 与 SW 节点间切换。启动时 V_in≥V_out，背栅连接至 SW 节点，而 PMOS 则作为电流源为 C_out 充电，使 C_out 约等于 V_in。让 V_out,nom 达到额定输出电压，如果 V_in≤V_out,nom，则转换器切换为升压模式，否则 V_in≥V_out,nom，电路将在降压模式下工作。

电压模式控制方案
上述转换器的稳压输出建立在固定频率电压模式控制基础之上。对于升压模式而言，方程式 (3) 给出了占空比控制算法，该算法的实施自动控制 NMOS 关闭时间 t_off，因此占空比包括两块：电流生成器及计时器单元。在升压模式中，电流生成器块生成的电流与 V_out 成正比，它还为 RC 振荡器提供参考电压，该振荡器在一定时间间隔 (T=RC) 上生成时钟脉冲。在计时器中，电容为 C 的电容器每隔一段时间 T就放电至 V_in，并从电流生成器放电，电流量为 I。为提高精确度，放电电流由误差信号放大器进行调节。电容电压与固定电压电平（对于理想的 MOS 开关而言就是接地电平）进行比较，一旦电容器放电至此电平，则比较器会生成脉冲，表示 NMOS 关闭时间终止而 NMOS 开关打开，振荡器下一次发出时钟脉冲时它又将关闭。
我们下一步将更加详细地介绍下降模式的控制算法。对于下降模式操作，查看图 5根据等伏秒原则也可得出占空比。在忽略 NMOS 与 PMOS 开关电阻损耗的情况下，NMOS 接通与关闭时间内电感器上的电压计算如下：

实验结果
上述转换器的芯片实施采用一至三节碱性电池或 NiCd/NiMH 应用，如因特网音频播放器或 PDA 等。输入电压范围从 0.9V 到 5.5V 不等，输出电压可在 1.8V 到 5.5V之间调整。
从理论上说，V_in 可任意大于 V_out；从实际上讲，我们必须考虑到下降模式中 PMOS 开关的较大功耗。下降模式中 PMOS 上的压降为 V_in+V_T,p-V_out，PMOS 功耗可计算如下：

结论
本文介绍了一种新的低功耗 DC-DC 转换器概念，它带有降压转换选项，不需要额外的电感器或电容器，也不需要 LDO。这一概念针对的应用是那些所需电源电压略低于电池完全充电时所提供电压的情况。一旦电池放电到低于所需的额定电源电压，则转换器将作为标准的升压转换器工作。新的下降转换模式需要对电源 PMOS 器件的背栅进行专门控制，其作为同步整流器工作。一旦 V_in 超过 V_out，则 PMOS 将连接栅极至接地，就不再主动打开，这保证了电感器上的电压在电源 NMOS 开关关闭时间内为负，这样等伏秒的原则仍然适用。在这种模式下，PMOS 通道的电阻损耗大于标准的升压模式，因此效率要低一些；此外，V_in 超过 V_out 的最大值不仅受到工艺技术电压性能的限制，还受到 PMOS 器件周围环境热阻的限制。
这里所给概念的芯片实施采用 MSOP10 封装，带有散热焊盘 (pad)，即使在最差条件下也允许 V_in 比 V_out 高 1.5V。测量数据显示，升压模式中的效率通常大于 90%，并可升至 95%；在下降转换模式中，效率在 55% 到 75% 的范围内。由于上述转换器具备下降转换的功能，因此对于各种各样的电池供电应用而言它在占用面积、成本以及功率方面都是高效的解决方案。

参考文献：
[1] R.W. Erkison 与 D. Maksimovic 编写的《电源电子设备基础》，Kluwer Academic Publishers 于 2001 年出版。
[2] D. Maksimovic 与 S. Cuk 编写的《用较宽的 DC 转换范围切换转换器》。HFPC会议论文集，Seiten 217-225，1989 年 5 月。
[3] R. P. Massey 与 E. C. Snyder 编写的《高压单端 Dc-Dc 转换器》。IEEE 电源电子专家大会论文集，Seiten 156-159，1977 年 6 月。
[4] R. D. Middlebrook 编写的《电源电子产品：新兴行业》。IEEE 电路与系统国际研讨会论文集，1981 年 4 月。
[5] R. D. Middlebrook 编写的《电源电子产品：拓扑、建模及测量。IEEE 电路与系统国际研讨会论文集，1981 年 4 月。