開關式升壓器晶片已被廣泛的應用。利用電感器提升電壓的基本原理早在幾十年前已有人論及。部分升壓器採用電路的開關控制部分，部分升壓器內建開關（一般採用MOSFET），這兩類升壓器都大受歡迎。將MOSFET開關與開關控制區段裝設在同一晶粒上有其優點及缺點。優點是大幅精簡系統設計，缺點是效能無法與採用外置開關的設計相比，兩者在效能上的差距太大。

採用外置MOSFET的直流/直流開關電源供應器有多個優點，例如作業頻率不但可以大幅提高，效率也有所提昇。有部分廠商最近推出內含MOSFET的直流/直流升壓器晶片，一反傳統的做法。雖然根據基本的原理，MOSFET若設於晶片之外，系統可發揮更高的效能，在積體電路的設計及製程技術經過不斷的推陳出新，目前內含MOSFET的升壓器已能高於1MHz的頻率進行作業。

新興直流升壓器設計

《圖一　基本的直流/直流升壓器電路》

高開關頻率的優點十分顯著。首先，開關頻率較高，系統設計工程師便可採用較小型的電感器。電感器越小，其成本便越低，整個解決方案可以變得更為小巧。此外，高開關頻率也有一個較不為人知的優點，即開關雜訊可「轉移」到應用方案所需的頻帶範圍之外。開關器若以X頻率進行作業，便會連帶將X、2X及3X等雜訊傳入系統之內。低於X的頻率大致上不會太受開關器產生的雜訊所影響。因此較高的開關頻率（X）可以提供一個較為廣闊而又免受雜訊干擾的低頻帶。

直流/直流升壓器晶片適用於多種不同的應用方案。例如，無法獲得足夠電壓的應用方案可採用直流/直流升壓器。行動電話及個人數位助理等手持式和以電池供電的設備是最適合採用直流/直流升壓器的典型應用方案。這類設備可以充分利用新一代開關器的優點，尤其是可藉此將整個解決方案的體積縮小。

此外，其他的應用方案更加需要採用開關器晶片。在利用小型匯流排輸出電壓的應用方案需要較高的電壓，所需的電壓甚至比匯流排（USB、IEEE1394等）本身所提供的電壓還要高，而且還需要較低雜訊的作業環境。利用USB輸出電壓的ADSL數據機是這類應用方案的例子。這種數據機需要12伏的電話線路驅動器。由於USB只提供5V的標準電壓，因此需要外加一個升壓器。傳送訊號及資料的ADSL線路只可支援不超過1.1MHz的頻帶，必須防避雜訊混入低頻訊號。在這類應用方案最好採用作業頻率超過1.1MHz的直流/直流升壓器。

新一代的直流/直流升壓器很容易融入現有的設計之內。有關的產品資料單張都清楚列出有關如何進行設計、建立及測試該款晶片的指引。以USB驅動的應用方案若採用這種晶片，在設計上會有問題。USB的技術標準清楚規定插入USB設備時引致的電流突波不能超過規定水準。該設備若採用直流/直流升壓器，系統設計工程師須確保該設備只可在受控範圍內進行作業。

升壓器一經啟動之後，便會輸出已提升的電壓，令其輸入電壓出現強大的電流突波，這正是USB標準所不容許的。為了解決這個問題，直流/直流升壓器晶片可加設一個一般稱為軟啟動的功能，讓升壓器可以慢慢啟動，逐漸提高輸出電壓。正確的軟啟動方式慢慢啟動升壓器，便不會產生任何電流突波。當然加設軟啟動功能會增加生產成本，因此市場上大部分頻率超過1MHz的直流/直流升壓器都沒有這種軟啟動功能。

其實只要在技術上花一點心思，便可為升壓器加設這個功能。以下將以美國國家半導體的產品為例，為讀者作一介紹。

《圖二　軟啟動功能回授電路》

標準設定

(圖一)顯示一款基本的直流/直流升壓器電路，採用的是美國國家半導體的LM2698晶片。

若晶片設有軟啟動功能，一般會有軟啟動接腳。電容器可以連接軟啟動接腳，用以控制啟動的速度。該晶片並無內建軟啟動功能。

《圖三　加設與RFB2平衡的CFB2電容器電路》

軟啟動

在直流/直流升壓器加設一個軟啟動的功能，可以參考(圖二)的回授電路。若能夠在相關電阻在啟動時與正常作業時產生不同的阻抗，便可改變啟動時的表現。

《圖四　加設軟啟動功能的直流/直流升壓器電路》

通電時，CFB1會成為短路。換言之，RFB1||CFB1的阻抗為0，因此輸出電壓（Vout）等於參考電壓（Vr）。RFB1||CFB1的阻抗會慢慢上升，輸出電壓也會隨著上升。輸出電壓需要多久才能穩定下來，是由CFB1的大小而定。(圖三)所顯示的是相同的電路，加設與RFB2平衡的CFB2電容器。加這電容器的作用是要更有效地穩定電路，以及改善負載開關反應。(圖四)所示的電路即圖一的電路，只不過已加設軟啟動功能。(圖五)則顯示有關的波形。可以清楚看到輸出電壓慢慢攀升至12伏，以及通電後出現遠比以前為低的電流突波。

《圖五　加設軟啟動功能的直流/直流升壓器電壓上升波形》

穩定性

本文討論的軟啟動電路便是這利用。回授電路加設電容器，改變控制環路的性能表現。因此設計的穩定性就是工程師在作電路設計時的重點。

可以採用網路分析儀確定相位容限（phase margin）。顯示專為進行這個測試而作出相應改動的基本電路。同樣的基本電路，但輸出電壓及回授電阻（RFB1）之間的連繫已截斷，改由電線連接，並且將電流探針架在電線上，以便令電線產生細小的電感電壓。輸出電壓及VRFB1分別輸入網路分析儀以便測量其電壓。測試分為以下幾個步驟：

可以根據上述的測量數字計算出相位及增益，其結果可以在預測繪圖（bode plot）中顯示出來。只要查看0dB增益點的相位容限（phase margin），便可確定系統的穩定性。按照過去的經驗估計，良好升壓器的相位容限應超過30度，這樣才可算是一個性能穩定的設計。

(圖七)及(圖八)分別顯示圖一及圖四的電路所產生的相位容限繪圖，圖中所示的電路分別產生80及50度的相位容限。以選定的作業點來說，這兩個設計都很穩定。須留意高頻相位訊號可能會混雜了雜訊。雜訊的出現主要與系統設置、外部輸入雜訊及接地環路有關。必須確保系統的設置有卓越的接地，設法不讓外來雜訊進入系統，以及確保所有終端裝置能執行正常功能，便可免於受到這些雜訊的干擾。

總結

採用電感器的直流/直流升壓器有其內在的啟動問題。所採用的積體電路並無內建軟啟動功能，系統設計工程師可以利用少量的外部元件加設這個功能。如果真的要加設這個功能，便需確保系統能保持其穩定性。

（作者為美國國家半導體歐洲區電源管理應用工程師）