引导式降压-升压转换器延长照明时长

作者：Simon Bramble，首席应用工程师

摘要

本文介绍如何利用降压-升压转换器延长低成本便携式LED灯的电池续航时间。尽管所介绍的方案主要面向业余爱好者，但文中阐述的技术同样可应用于各类工业场景。

引言

居住在乡间小路旁别有一番惬意。这里环境清幽，满目自然景致。但也存在弊端：停电现象时有发生。当地每年约停电五次，频繁的断电带来诸多不便，尤其到了夜晚，整栋房屋会陷入一片漆黑。不少家庭即便断网尚可勉强生活，但没有照明却是一个严重的问题。经历上一次停电后，我设计了一套工程解决方案，以避免类似问题再次发生。

车库里一盏积满灰尘的旧露营灯被重新清理，并装入四节全新的 D 型电池后投入使用，能够提供数小时的照明。。但随着电池电量逐步耗尽，灯光亮度持续衰减，最终完全熄灭。为提升性能，本文探索了多种方法，以更高效地驱动 LED。

LTC3115降压-升压转换器

LED通常采用串联方式连接，并由恒流源驱动。这款露营灯的内部架构也采用了类似的串联配置，依靠限流电阻为LED灯串进行电流调节。在电池放电过程中，随着供电电压逐渐下降，加在 LED 两端的正向偏置电压减小，导致发光强度逐渐降低，直至电压降至其最低工作阈值以下时，LED 熄灭。因此，可采用降压-升压转换器为LED灯串提供稳定电压，并搭配小型电阻实现限流。这种做法还有一大优势：当电池电压低于LED正向偏置电压时，电路可对电池电压进行升压，维持LED持续点亮。一个可行的设计思路由此逐渐形成。

选用了 DC2119A（LTC3115-2 降压-升压转换器的评估板）集成到灯具外壳中。该器件具备最高 40V 的输入电压能力，可在多种供电条件下实现延长工作时间，包括应急备用电源等应用场景。

图1为LTC3115-2的内部结构。


图1：LTC3115-2的内部功率电路

值得注意的地方是FET A和FET B组成一个降压转换器的时候，FET C常态关断，FET D常态导通。当PVIN高于PVOUT时，FET A导通，电感两端产生电压并完成储能，电流由SW1流向SW2。随后，FET A关断，FET B导通。电流流经FET B，电感电流继续从SW1流向SW2，最终汇入接在PVOUT端的输出电容。在升压模式下，FET C与FET D反相交替导通：FET C利用输入电压为电感充电，FET D则将电感中的能量释放至输出电容。此模式下FET A常态导通，FET B常态关断。在降压-升压模式中，因输入与输出电压相等，电感两端无压差，开关逻辑需做出相应调整。图2展示了输入和输出电压均为6V时，开关节点电压与电感电流的变化波形。


图2：开关节点电压与电感电流波形

(FET A + FET C)：FET A导通，SW1节点电压抬升至PVIN。FET C导通，SW2节点被拉至0V。电感两端承受高压，电流线性上升，流向为SW1至SW2。

(FET A + FET D)：随后FET C关断，电感为维持电流不变，两端产生反向电压，SW2节点电压不断抬升，直至FET D的体二极管导通，此时SW2电压比PVOUT高出0.6V。继而FET D导通，体二极管被旁路，SW2电压回落至PVOUT，电感电流线性衰减，电能流入输出电容。

(FET B + FET D)：接着FET A关断，电感再次产生反向电压，FET B的体二极管导通，SW1节点电压下拉0.6V。之后FET B导通，SW1节点被短接至0V。此时SW1节点不再等于VIN，而是等于0V，因此电感两端压差增大，放电速度加快。

(FET B + FET C)：随后FET D关断，其体二极管导通，SW2电压抬升至超出PVOUT 0.6V。紧接着FET C导通，SW2被拉至0V。至此SW1、SW2均为0V，飞跨电容CBST1、CBST2开始补电，电容储存的电压用于高边驱动FET A与FET D。

拆解露营灯后发现，其内部所有LED均为并联接法，电池直接通过四只7.5Ω、3W大功率电阻为LED供电，电能损耗严重，加速了电池耗电。大部分电能都耗散在电阻上，电池续航自然大打折扣。实测LED两端工作电压为3.2V。

可充电电池在完全放电时端电压约为1V，这意味着该灯具的电池组电压会下降至约 4V。虽然简易降压转换器也可满足需求，最终仍选用了降压-升压转换器。拆除原有大电阻后，先通过台式电源直接为LED灯串供电，将电压调至约3.3V，达到最佳发光亮度。再将LTC3115-2的输出电压设定为3.3V，直接驱动LED，原理图见图3。


图3：升压转换器的原理图

测试结果与自举技术应用

将电池组接入升压转换器后，LED按照预期满亮度点亮。但工作约10分钟后，灯光开始闪烁，这显然不是理想的表现。进一步分析发现，电池电压跌至2.4V进入器件的输入欠压锁定阈值，导致器件反复复位。器件关断后LED熄灭，电池负载解除，电压逐步回升；随后器件重新启动，LED再次点亮，如此循环往复。这种现象被称为“汽船噪声”，这个叫法源自早期便携式音频功放：负载反复接入、断开会使电路持续振荡，扬声器随之发出类似汽船发动机“噗噗”的声响。

通过将 VIN 引脚从输出电压进行自举供电（bootstrapping），该问题得到了有效缓解自举技术是利用输出电压为升压转换器输入引脚供电的常用手段，通过增强内部场效应管的驱动能力，通常可提升电路整体效率。器件数据手册中也详细介绍了对VCC引脚进行自举的方案，这种方式可减小LTC3115内部低压差稳压器（LDO）的压降，进而提升转换效率。而在本电路中，自举技术还能让VIN引脚电压始终高于欠压锁定阈值，拓宽器件正常工作的输入电压范围。本电路将PVIN与VIN引脚独立驱动，借助图3中的二极管D2，把VIN引脚连接至VOUT端。由于电路启动瞬间输出电压为0V，额外增设二极管D1连接至VIN，保障器件顺利启动。两个二极管型号均为1N5819。同时增加电容C3，在电池电压短暂跌落时，维持VIN引脚电压稳定。LTC3115的功率回路（场效应管、电感）电流由PVIN提供，VIN引脚功耗极低，搭配常规容值的电容即可实现滤波去耦。上述改造大幅优化了LED驱动器的工作表现，电池可放电至更低电压。

为直观展示自举技术的效果，图4为使用老旧电池堆时的波形。其中，PVIN为黄色，VOUT为蓝色，VIN为粉色。


图4：使用老旧电池时的电路运行情况：PVIN（黄色）、VOUT（蓝色）、VIN（粉色）。

波形中心线左侧区域，器件启动后VOUT电压逐步抬升，给PVIN带来较大负载，致使PVIN电压开始下降。粉色波形取自电容C3两端，该电容由PVIN充电，电压比PVIN低一个肖特基二极管压降。PVIN电压回落时，电容C3持续为VIN供电，使其电压暂时保持高位；由于LTC3115-2有约6mA静态电流，VIN电压呈线性缓慢下降。当VIN电压低于VOUT时，二极管D2开始导通，即便PVIN电压大幅跌落，VIN依旧能维持正常电平。最终电池能量耗尽，在距离波形中心线约1.6个刻度处，PVIN电压降至1.1V（RUN引脚关断阈值），器件停止工作。电池中的负载移除后，PVIN电压回升，电路再次启动，整个过程再次重复。

当为电路更换新电池后，LED 的表现明显改善，亮度保持稳定且更加一致。。后续借助台式电源，分别对原7.5Ω电阻器和降压-升压转换器开展对比测试。当台式电源输出电压设为5.90V时，原电阻电路输入电流为320mA，电阻发热严重；接入LTC3115后，输入电流降至约160mA，电池供电电流显著降低。此外，搭载降压-升压转换器的电路，即便输入电压持续下降，LED亮度也能始终保持恒定。

结语

LTC3115-2可有效缓解家庭频繁停电带来的不便。图3所示电路结合自举技术，有效延长了露营灯的使用时长与降压-升压转换器的工作区间。

有关升压转换器自举技术的更多信息，请参阅文章“增大升压转换器的效用：以更低电压驱动更重负载”。如需了解家用设备不间断电源的设计方法（断电时为无线网关、固定电话持续供电），可查阅文章“如何为家用设备构建不间断电源”。

作者简介
Simon Bramble于1991年毕业于英国伦敦布鲁内尔大学，拥有电气工程和电子学学位，专门从事模拟电子器件和电源工作。他在职业生涯里主要从事模拟电子器件工作，曾就职于Maxim和凌力尔特（现在均已并入ADI公司）。