升壓電路轉換效率提升 行動裝置延長電池使用壽命

2015-01-12
為了驅動無線裝置顯示螢幕的LED背光,設計人員使用升壓電路來將電池電壓升到足以克服LED正向電壓降的電壓位準,而為升壓電路選擇恰當的蕭特基二極體,可以幫助降低系統的總功率耗散,因此,根據總功耗性能而非元件各個參數來定義蕭特基二極體,是一種更可取的方式。
過去,定義蕭特基二極體的主要參數是正向電壓及反向漏電流。影響這些規格參數的兩項主要因素是蕭特基阻障金屬及蕭特基接觸面積,由於這些參數均取決於相同的變數,所以必須在這兩項參數之間進行折衷取捨。

正向電壓下降時,反向漏電流上升,反之亦然。由於業界已不斷推動降低正向電壓,反向漏電流已經穩步上升。如今已經到達這樣一個地步--進一步降低正向電壓導致反向漏電流更大程度地上升,反而使總功耗增大。

但是人們仍然認為正向電壓是影響功耗的主要因素,反向漏電流則沒那麼重要;不過這不必然是對的。舉例來說,如果升壓轉換器的輸出電壓遠高於輸入電壓,就會導致工作週期(Duty Cycle)變得極大。

升壓轉換器的工作週期越大,蕭特基二極體的反向偏置時間就越長。除了工作週期更大,升壓轉換器的輸出電流也會達10∼40毫安培(mA)。這通常是升壓轉換器用於無線裝置的LED背光應用的案例。

表1比較一款最佳化升壓的蕭特基二極體(元件1)與另一款市場上常見的低正向電壓蕭特基二極體(元件2),可看出雖然元件2的正向電壓低於24%,但功耗卻高於39%。表1中,蕭特基二極體功耗(PD)採方程式1、2計算。

...............方程式1

..................................................方程式2

D=升壓轉換器的工作週期

PD=蕭特基二極體功耗

Vout=升壓轉換器輸出電壓

Vin=升壓轉換器輸入電壓

IF=蕭特基二極體平均正向電流

VF=電流為IF時的蕭特基二極體正向電壓

IR=蕭特基二極體在Vout電壓時的反向漏電流

低輸出電流可降低功耗

計算功耗的第一步是計算工作週期,因此表1中元件2的值將用於計算工作週期。在無線裝置中,輸入電壓/電池電壓可能低至2.5伏特(V);輸出電壓取決於LED的配置。

一般而言。常見的LED配置是單串十顆LED。白光LED的正向電壓約為3.3伏特,基於這個配置,輸出電壓為33伏特。

元件2在電流為10毫安培時的正向電壓為0.2伏特。在方程式1中代入這些值時,就得到工作週期為92.5%,這表示蕭特基二極體將在92.5%的時間內為反向偏置,僅在7.5%的時間內正向偏置。

若用表1中的元件2的值來計算功耗,當元件反向偏置時,電壓為33伏特,漏電流約為100微安培(μA),功耗就是3.3毫瓦(mW)。

在元件正向偏置的情況,電壓為200毫伏特(mV),電流為10毫安培。這就可以得到正向偏置功耗為2毫瓦。當結合這些值以及各種偏置的百分比時,就可以發現反向偏置產生的功耗是3.05毫瓦,正向偏置為0.15毫瓦,這項結果顯示出,事實上大多數功耗是漏電流產生的。

上面的例子假定正向電流為10毫安培。重要的是,隨著正向電流上升,正向偏置條件下耗散的功率就會增加得越多;然而,反向偏置功耗仍保持不變。根據這情況,可以得知,系統設計人員需要更多地低輸出電流升壓轉換器以將總功耗降至最低,而非大電流升壓轉換器中的蕭特基二極體的漏電流。

如上所述,低漏電流元件在較低輸出電流時的功耗較低,但隨著電流上升,功耗更加快速地上升。當審視低正向電壓蕭特基二極體時,高漏電流在低輸出電流時的影響非常明顯。然而,它的功耗曲線沒那麼陡峭,在較高輸出電流時的功耗變得比低漏電流元件低。

升壓最佳化型蕭特基二極體正是結合了前述兩種元件的優點,在低電流時擁有比低正向電壓元件高得多的性能,而在較高電流時仍繼續保持這樣的趨勢。它在低電流時並不比低漏電流元件優異,但在大電流時的省電效果明顯。此外,升壓最佳化型蕭特基二極體顧及到了升壓轉換器中電感的大電流尖峰;而低漏電流元件在這些電流尖峰條件下的工作性能並不好。

根據功耗而非各個元件特性參數來定義蕭特基二極體的重要性如今越來越高,因為在正向電壓與反向漏電流之間的折衷取捨變得更加顯著。根據功耗來開發蕭特基二極體的例子,能使系統設計人員將可攜式應用的電池使用時間盡可能地延長。

(本文作者任職於安森美半導體)

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