升降压原理浅析

作者：一灯

在消费类电子和家电市场等领域，为了实现更复杂的产品功能，需要多类型芯片、模组、最小系统等一起配合。然而，各模块工作电压会有差异，故就需要对电压进行转换，因此就衍生出升压和降压芯片，这类产品统称为DC-DC电源芯片。

升降压分类   

01开关型

通常有升压、降压、降压-升压等拓扑结构。

在每一个开关周期内，交替地将能量从电源传递到电感和电容，从而通过储能元件（电感）将输入能量传递到输出端。

02线性稳压型  即LDO，只用在降压转换结构中。  

内部功率管工作在线性区，通过线性调整内部功率管，确保输出电压Vout为参考电压Vref达到某个预置的比例值。

03电荷泵

常用于倍压电路中，有正压和负压转换。

在电能转换的过程中，仅使用了电容器件。

以艾为Smart K音频PA AW873XX为例，其配备1.5倍/2倍Charge-pump电荷泵升压模块，LCD Bias AW3750x 负压的产生，也使用了电荷泵的电源模块。  

工作原理   

这里对常用的升降压和LDO做原理介绍。

01开关升压电路

为了解Boost电路原理，我们以常规非同步升压为例，讲述BOOST电路的工作方式，下图为BOOST电路的基本架构（若把二极管换成MOS管，则构成同步升压架构）：  

1.当开关S1闭合时，Vin给电感L1充电，见绿色充电路径，充电时间=占空比D*开关周期T。   根据电感的伏安特性关系，，其中是电感电流的变化量，是电感电流变化持续的时长。

是充电时电感电流的变化量 是电感充电时长

2.当开关S1断开时，电感中的能量会通过二极管给负载放电，见红色放电路径，与此同时，Vin也会通过二极管给负载放电，两个电压叠加到Vout实现升压，放电时间：   =（1-占空比D）*开关周期T   

是放电时电感电流的变化量

是电感放电时长

3.一个开关周期内，充电和放电的电流变化相同，系统才能稳定

结合1和2，得公式：

由于D<1，得Vout>Vin，实现升压。

升压过程本质是电感能量传递的过程，开关S1重复进行通断操作，会使得输出端既可以得到一个高电压，又可以保持一个持续的稳定电流。

02开关降压电路  降压电路也称BUCK电路，常规的非同步BUCK电路由电感、二极管、开关、电容组成，对于非同步buck电路，也可以理解为电路有一个开关，通过不断开启和关闭，由二极管对电感续流放电，如下图：

1.当开关S1闭合时，Vin给电感L1充电，见绿色充电路径，电感电流不断增加，加在电感两端的电压是，和升压是相同的计算方法，：

是充电时电感电流的变化量 是电感充电时长  2.当开关S1断开时，由于电感上的电流不能发生突变，此时反向的二极管派上用场，为电感的放电提供了路径，见红色放电路径，这里二极管也称续流二极管，放电时长：

电感放电能量为：

是放电时电感电流的变化量

是电感放电时长

3.BUCK同BOOST一样，工作本质都是对电感的充放电过程，BUCK稳定之后，电感的充放电电流是相等的。

结合1和2，得公式：

由于D<1，得Vout

03LDO

通常LDO内部由PMOS管组成，由于先天条件的不足，输入电流和输出电流是相等的，LDO输入和输出会产生的压差，这部分压差和电流会产生一定的功耗：

这部分功耗都会体现在LDO发热上，故LDO效率都比较低，过电流能力也相对较小。

当然也有NMOS管架构的LDO，以适用较大电流低压差的应用场景。下面着重对PMOS管架构LDO的工作原理进行简单介绍。

LDO主要由功率MOS管、运放、基准电压和反馈电阻组成。

主要工作流程是Vout电压通过分压电阻分压，分得的电压和基准电压Vref进行比较，通过运放比较后，输出的电压来控制PMOS栅极，增加PMOS输出电流，从而提升Vout输出，见如下红色路径：

那么，LDO是如何稳定输出电压的呢？当LDO负载变化时，VOUT会随之降低，两个电阻R1、R2分压的电压也会降低，和运放比较后，运放的输出电压也随之下降，从而PMOS管栅极电压Vg降低，由于VIN不变，Vgs电压会增加，从而提高PMOS的输出能力，输出电流的增加，就会让VOUT再度上升，从而使VOUT一直保持平稳的输出。

优劣势   

上面讲述了开关电路（BOOST电路、BUCK电路）和线性稳压器LDO的基本工作原理，但是什么时候用开关电源，什么时候用线性电源呢？这就要从工程师所关注的性能指标来综合决定了：输出电流、温升情况、开关噪声、外围器件、效率、价格等。

为了覆盖不同的客户需要，艾为推出了一系列具备不同性能指标的升降压产品，包括Boost、Buck及LDO芯片，适用于手机、平板、穿戴电子设备、各类NB-IoT等应用。无论是客户关注的电流、占板面积还是温升、外围元件等特性，艾为的产品总有一款可以符合客户需求。

艾为升降压产品及应用场景   

01Boost

Boost多用在电池供电的低压产品中，如手机/平板的USB OTG、穿戴产品监测模块供电等。

在艾为Digital Smart K、Smart K、高压马达驱动等产品中，也都能看到电感升压和Charge Pump升压产品的身影。

艾为BOOST主推型号

以艾为明星Boost产品AW36099系列为例，其是一款静态电流仅为1uA的高效率超低功耗同步升压转换器。适用于一切采用碱性电池、镍氢电池、锂锰电池、锂亚电池及其它可充电锂离子电池供电的电子设备，特别是对电池使用时间及寿命有较高要求的便携及可穿戴电子设备、各类NB-IoT应用等。   AW36099系列有CSP和DFN两种封装形式，有可调输出版本，同时也有2.5V、3.0V、3.3V、3.6V、4.5V、5.0V固定电压输出版本，方便工程师灵活选择，典型应用电路如下：

02Buck

为适配更完善的降压方案，艾为BUCK产品有常规2A/3A输出电流的降压芯片，同时也配备了专给射频PA供电的APT BUCK，其工作电压低、输出电流高成为一大亮点。

艾为BUCK主推型号

针对NB-loT系统方案，艾为有专为射频PA供电的APT Buck。射频系统正常工作时，BB根据RF PA的发射功率配置它的供电电压，RF PA的发射功率强时，供电电压高，RF PA的发射功率弱时，供电电压低。   AW37416/37426根据BB给出的控制信号实时调整输出电压，实现APT功率追踪，动态调整PA供电电压，降低不必要的功率损耗，最终实现系统效率最佳化，可参考如下基本应用框图：

为了更加契合产品应用，艾为即将推出APT Buck-Boost产品，该新品采用Charge Pump+Buck的架构实现自动升降压功能，拥有95%的超高效率，MIPI2.0接口加持，并支持OVP、 OTP、OCP等输入输出保护，支持同时为后级2个PA供电，更加拓展了Buck-Boost产品的适用性，敬请期待！

03LDO

在常规电子类产品中，低电压小电流的系统日益增多，LDO在电子系统中随处可见。

艾为LDO主推型号

艾为LDO产品系列非常丰富，覆盖从300mA到1200mA输出电流的应用。300mA和500mA输出电流档位的LDO有SOT23-5L的常规封装，同时也有DFN1X1的超小封装，节省PCB摆件面积；大电流1A输出的LDO以及转给Camera供电的4通道PMIC，拓展了LDO的应用场景。

艾为AW37030和AW37050系列具备高PSRR（90db）和低Noise（33uV）的特性，为常规Camera供电带来了福音，多样化的输出电压（1.1V-3.3V）也是其一大亮点。

主打超低功耗的AW37103系列为纠结功耗工程师们带来了答案，超低的静态功耗（2uA）是其最大的亮点，兼备了固定输出电压版本（0.8V-3.3V）和可调输出版本。

AW3707/AW3710系列，主打大电流输出，同时具备可调输出和固定输出版本，其独特的封装在芯片散热上具有明显的优势。

审核编辑：汤梓红