在这一系列的文章中，我们将研究在电子项目中可能使用的主要类型的功率调节器和转换器的设计和实现。我给了一个研究生工程师一系列的要求，我指导他演示了每一种类型，并在这里记录了结果，这样你就可以通过同样的练习，希望得到同样的结果。

对于下一个开关电源项目，从我的项目想法为学生工程师文章，要求有点不同。这一次，我的研究生工程师不得不设计一种可以提高电压的电压调节器。对于这类任务，可以说，最流行的设计选择是使用DC-DC升压变换器。

我对这个设计的要求是：

• 输入电压1.0~3.5V
• 输出电压5.0 V
• 输出电流100mA

你会看到，DC-DC升压转换器的拓扑结构与buck变换器不同，而且大多数情况下，它们与电池供电的设备一起使用。大多数情况下，电池所能提供的电压不足以为大多数集成电路供电，因此需要提高电压。

一个最常见的例子是当你需要使用一个或两个非常常见的AA，AAA大小的电池，或者可能是单电池锂离子或锂聚合物电池。通常，您设计的集成电路需要5伏直流电源才能正常工作。一个简单的齐纳二极管或串联或并联线性稳压器将能够做到这一点。

开关升压电源的目的是当设备由单个AA、AAA、AAAA、B、C或D尺寸的电池或两个这样的电池串联供电时，能够提供5v的输出电压。这些电池通常每个电池提供1.5伏电压，当两个电池串联时提供3伏电压。由这种电池供电的设备不会使用大量的电流，因此具有100毫安的输出电流能力应该足以满足大多数典型应用。

一个DC-DC升压调节器IC是我的研究生工程师在我的监督下精心挑选的。所选DC-DC升压调节器IC为模拟器件LTC3429。

LTCDC-3429升压调节器

LTC3429组件是一种高效率的500kHz可调输出电压升压转换器。该变换器规定的工作输入电压范围为0.5V～4.4V，与设计规定的输入电压相匹配。该调节器的输出电压可从2.5伏调节到4.3伏。然而，如果增加一个肖特基二极管，输出电压可以增加到5v。

选择这种特殊的升压调节器是因为它对指定的输出电流（高达96%）具有很高的效率。但缺点是，这种调节器可能相当昂贵，订购少量产品时单价只有几美元。这种调节器也可以从Farnell、Mouser、Arrow等公司获得，大部分的模拟器件集成电路价格都比较高；然而，他们的产品质量很高，我相信这使投资是值得的。

此外，您还将看到该调节器具有有用的附加功能，例如：

1. 低压启动-此调节器可在电源电压低至0.85 V时开启。这意味着，如果电源电池放电至低于0.85 V，则该调节器有可能无法启动。然而，我们的设计要求最小输入电压为1V，这已经足够了。
2. 软启动-此功能可防止调节器在电源（电池）连接到设备时开启输出电压2.5毫秒。这种软启动功能允许调节器的振荡器在开始作为开关电源工作之前稳定在正确的频率。
3. 防振铃控制-此功能可防止SW引脚发生高频振铃，从而将调节器产生的EMI降至最低。
4. 短路保护-此功能允许电路短路而不损坏调节器。它立即以关闭集成电路的方式对内部电容放电，从而保护调节器和电路。

方案设计

你会看到，原理图的设计不像大电流DC-DC buck控制器那样具有挑战性，它能够输出6 A。这种设计是针对低电流电池供电的应用，因此元件选择没有那么严格。您可以从下面的数据表中看到电路设计建议：

DC-DC升压变换器LTC3429方案设计

大多数的设计决策都是直接从原理图中做出的。

作为第一步，使用数据表中提供的以下公式计算输出电压反馈电阻器：

选择高电阻值以确保轻负载下的良好效率。

反馈电阻值与效率的关系

值为255 kΩ 选择R2，然后使用下面的公式计算R1电阻的值。

由于这不是一个标准的分量值，一个更典型的768KΩ 选择R1电阻的值。

输出电压反馈电阻器

在本设计中，输入和输出电容选择的可变性较大。由于输入和输出的电流都不高，电容器的最大电流值并不重要。

应使用低电阻多层陶瓷电容器以减小输出纹波。建议使用标记为X5R或X7R的电容器。对于大多数应用，输出电容值在4.7 uF到15 uF之间就足够了。选择了电容值为22 uF的输出电容器，因为它是提供极低输出电压纹波和改善瞬态响应的推荐值。

对于输入电容器的选择，还需要一个低ESR电容器，以最小化任何输入开关噪声，并减少从电池消耗的峰值电流。由于这种电池以其低噪音而闻名，一个10毫伏的电容器几乎可以满足任何应用。

请记住，输入电容器的直流电压额定值可以低至4V或6.3V，因为输入电压相对较低。但是，建议输出电容器使用至少两倍的直流电压额定值。陶瓷电容器具有直流偏压效应，在特定电压下可以显著降低电容。

使用数据表中提供的下图获取电感器值：

基于90%效率的最大输出电流与电感

我们选择了一个相当高的电感为22uh的电感器，因为我们想在所需的输出电流下保持调节器的效率。

选择的电感器是TDK通用电感器，SLF7032T-220MR96-2PF元件，能够处理所需的输出电流，即使是小批量购买，成本也很低。

至于肖特基二极管，它需要产生所需的5V输出电压，选择了数据表建议中确定的半导体上的MBR0520L元件。这种二极管没那么贵，几美分就能买到。

反向关机引脚（SHDN）必须拉到VIN，因为我们没有任何外部控制器或管理IC来控制调节器。我们希望它能工作时，任何电源在可接受的输入电压范围内被应用。

选择的连接器是伍尔特公司0022722021。这些都是便宜的和相当实用的，因为你不能把它们错误地连接起来。

Wurth Electronik 002272021连接器

但是，您可以选择任何您喜欢的连接器。作为设备设计的一部分，你可以使用这些电池插座，这意味着你的电池已经串联起来了。有1个，2个，3个或4个电池的插座（如果需要的话，甚至更多），每个插座都要几美分。

电池插座示例

下面您可以看到完全设计的LTC3429升压转换器原理图。

LTC3429升压转换器原理图。

PCB设计

至于PCB设计，目标是实现尽可能短的电流回路。参考数据表提供的以下设计：

数据表中的PCB布局

首先，元件放置是为了确保紧凑的PCB设计，并实现较小的电路板面积，因为这是针对低电流应用的。

PCB元件放置

作为第二步，PCB被手动布线以仔细跟踪电流回路。这有助于您了解当前环路的设计是否可以改进：

PCB手动布线

第三步，将多边形和平面添加到设计中：

添加多边形的PCB顶层设计

添加多边形的PCB设计底层

PCB设计上显示的输入和输出电流回路：

最后，完成的紧凑型DC-DC升压变换器的三维设计：

结论

在这些电子设计课程中，升压转换器的设计是一个新的步骤。许多设备，特别是便携式和电池供电的设备，使用升压转换器将电源电压提高到集成电路供电所需的水平。大多数集成电路在仅提供1.5V或3V电压时无法维持其工作。

乍一看，这似乎是一个相对简单的设计，但仍有一些因素需要设计师考虑。市场给了设计师从成千上万个不同的升压转换器中选择的能力，所以选择正确的一个可能并不容易。

如您所见，boost变换器的拓扑结构也与buck变换器有很大的不同。PCB的设计也会有所不同。然而，从根本上考虑是相同的；设计者需要尽量使输入和输出电流回路尽可能短，以减少电源辐射的电磁干扰。

由于有更多不同的开关调节器拓扑可能，这一个将是下一步的电源设计。