原創(chuàng)

采用DC/DC電源變換器實(shí)現(xiàn)電源管理的應(yīng)用設(shè)計(jì)

時(shí)間：2023-09-12 13:40:01

關(guān)鍵字： DC/DC 電源變換器

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[導(dǎo)讀]DC-DC電源芯片是一種用于控制和調(diào)節(jié)直流電壓的電路，為各種電子系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的DC電壓。它們?cè)谝苿?dòng)設(shè)備、通信產(chǎn)品、汽車、醫(yī)療儀器和各種工業(yè)領(lǐng)域等各種應(yīng)用中都有廣泛的用途。

DC-DC電源芯片是一種用于控制和調(diào)節(jié)直流電壓的電路，為各種電子系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的DC電壓。它們?cè)谝苿?dòng)設(shè)備、通信產(chǎn)品、汽車、醫(yī)療儀器和各種工業(yè)領(lǐng)域等各種應(yīng)用中都有廣泛的用途。隨著電子產(chǎn)品復(fù)雜度和功能性的不斷提升，DC-DC電源芯片的重要性也在不斷增加。

目前市場(chǎng)上有各種不同種類和尺寸的DC-DC電源芯片。下面我們將介紹其中的一些。

1. 線性穩(wěn)壓器型

線性穩(wěn)壓器型DC-DC電源芯片通過(guò)將輸入電壓降低到所需的輸出電壓來(lái)保持穩(wěn)定電壓輸出。這類芯片能夠提供高精度的輸出電壓，并能快速響應(yīng)負(fù)載變化，但效率較低，不適合在需求功率較高的應(yīng)用中使用。

2. 拉升型DC-DC電源芯片

拉升型DC-DC電源芯片也稱為升壓芯片，它們可以將低電壓轉(zhuǎn)換為高電壓輸出。這類芯片具有高效率和靈活性，因此在電池供電設(shè)備、LED照明、數(shù)碼攝像機(jī)等電子產(chǎn)品中被廣泛應(yīng)用。

3. 降壓型DC-DC電源芯片

降壓型DC-DC電源芯片可以將高電壓降低為所需的輸出電壓。這類芯片是一種高效、低成本的電源解決方案，在便攜式設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)、機(jī)器人等應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。

4. 帶負(fù)載開關(guān)的DC-DC電源芯片

帶負(fù)載開關(guān)的DC-DC電源芯片也稱為SWITCH-MODE電源，具有高效率和低損耗的優(yōu)點(diǎn)。這類芯片可以將輸入電壓轉(zhuǎn)換為需要的輸出電壓，而且還具有快速響應(yīng)和較大容量的特點(diǎn)，因此在高功率需求的領(lǐng)域如工業(yè)自動(dòng)化、RF通訊等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

5. 可編程DC-DC電源芯片

可編程DC-DC電源芯片是一種新型的芯片，它可以通過(guò)編程來(lái)調(diào)整電源輸出電壓和電流。這類芯片適合在需要頻繁調(diào)節(jié)電壓的場(chǎng)合，如變頻器、無(wú)線電通信、音視頻處理等應(yīng)用中使用。

以上是目前市場(chǎng)上常用的DC-DC電源芯片類型。當(dāng)然，各類型號(hào)的芯片在不同應(yīng)用下會(huì)有不同的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，因此在應(yīng)用時(shí)需要選擇合適的芯片。

除了芯片類型，芯片制造商也是影響芯片質(zhì)量和性能的因素。目前市場(chǎng)上有不少知名的DC-DC電源芯片廠商，如TI、ADI、ST及ON等，它們的電源芯片產(chǎn)品質(zhì)量一般視為比較好的。

總之，DC-DC電源芯片在各種電子產(chǎn)品中都扮演著重要的角色。芯片種類的選擇要符合實(shí)際應(yīng)用的需求，這樣能夠確保產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)也需要選擇良好的品牌廠商，來(lái)確保產(chǎn)品的品質(zhì)和性能。

目前比較常見(jiàn)的供電解決方案主要是LDO穩(wěn)壓器、DC/DC芯片或電源模塊。LDO穩(wěn)壓器具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、輸出的電源電壓紋波低的特點(diǎn)，但是它的一個(gè)明顯劣勢(shì)是效率也很低;而基于DC/DC芯片的解決方案能夠保證較高的電源轉(zhuǎn)換效率，散熱容易一些，輸出電流也更大，是大規(guī)模FPGA器件的最佳選擇;而電源模塊簡(jiǎn)單實(shí)用并且能夠有更穩(wěn)定的性能，只不過(guò)價(jià)格通常比較昂貴，在成本要求不敏感的情況下，是FPGA電源設(shè)計(jì)的一種最為簡(jiǎn)單快捷的解決方案。以筆者多年的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，在LDO穩(wěn)壓器、DC/DC芯片或電源模塊的選擇上，一般遵循以下原則：

● 電流低于100mA的電壓可以考慮使用LDO穩(wěn)壓器產(chǎn)生，因?yàn)殡娐泛?jiǎn)單、使用元器件少、PCB面積占用小，且成本也相對(duì)低廉。

● 對(duì)電源電壓的紋波極為敏感的供電考慮使用LDO，如CMOS Sensor的模擬供電電壓、ADC芯片的參考電壓等。

● 除了上述情況，一般電流較大、對(duì)電源電壓紋波要求不高的情況，都盡量考慮使用DC/DC電路，畢竟它能夠提供大電流供電，且提供最好的電源轉(zhuǎn)換效率。

● 對(duì)于電源模塊，筆者見(jiàn)到最多的是軍工等成本不敏感、板級(jí)PCB空間較大的應(yīng)用中使用，它其實(shí)是LDO穩(wěn)壓器和DC/DC電路優(yōu)勢(shì)的整合。

與任何電子元器件一樣，F(xiàn)PGA器件需要有電源電壓的供應(yīng)才能工作。尤其對(duì)于規(guī)模較大的器件，其功耗也相對(duì)較高，其供電系統(tǒng)的好壞將直接影響到整個(gè)開發(fā)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以，設(shè)計(jì)出高效率、高性能的FPGA供電系統(tǒng)具有極其重要的意義。

不同的FPGA器件、不同的應(yīng)用方式會(huì)有不同的電壓電流的需求。如圖2.4所示，簡(jiǎn)單的歸納，可以將FPGA器件的電壓需求分為三類：核心電壓、I/O電壓和輔助電壓。

核心電壓是FPGA內(nèi)部各種邏輯電路正常工作運(yùn)行所需要的基本電壓，該電壓用于保證FPGA器件本身的工作。通常選定某一款FPGA器件，其核心電壓一般也都是一個(gè)固定值，不會(huì)因?yàn)殡娐返牟煌瑧?yīng)用而改變。核心電壓值可以從官方提供的器件手冊(cè)中找到。

I/O電壓顧名思義便是FPGA的I/O引腳工作所需的參考電壓。在引腳排布上，F(xiàn)PGA與ASIC最大的不同，便是FPGA所有的可用信號(hào)引腳基本都可以作為普通I/O使用，其電平值的高低完全由器件內(nèi)部的邏輯決定。當(dāng)然了，它的高低電平標(biāo)準(zhǔn)也受限于所供給的I/O電壓。任何一片F(xiàn)PGA器件，它的I/O引腳通常會(huì)根據(jù)排布位置分為多個(gè)bank。同一個(gè)bank內(nèi)的所有I/O引腳所供給的I/O電壓是共用的，可以給不同的bank提供不同的I/O電壓，它們彼此是不連通的。因此，不同bank的不同I/O電壓為FPGA器件的不同接口應(yīng)用提供了靈活性。這里舉一個(gè)例子，Cyclone IV系列器件的某些bank支持LVDS差分電平標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)器件手冊(cè)會(huì)要求設(shè)計(jì)者給用于LVDS差分應(yīng)用的bank的I/O電壓供2.5V電壓，這就不同于一般的LVTTL或LVCOMS的3.3V供電需求。而一旦這些用于LVDS傳輸?shù)腎/O bank電壓供給為2.5V，那么它就不能作為3.3V或其他電平值標(biāo)準(zhǔn)傳輸使用了。

除了前面提到的核心電壓和I/O電壓，F(xiàn)PGA器件工作所需的其它電壓我們通常都稱為輔助電壓。例如FPGA器件下載配置所需的電壓，當(dāng)然了，這里的輔助電壓值可能與核心電壓值或I/O電壓值是一致的。很多FPGA的PLL功能塊的供電會(huì)有特殊要求，也可以認(rèn)為是輔助電壓。由于PLL本身是模擬電路，而FPGA其他部分的電路基本是數(shù)字電路，因此PLL的輸入電源電壓也很有講究，需要專門的電容電路做濾波處理，而它的電壓值一般和I/O電壓值不同。此外，例如Cyclone V GX系列FPGA器件帶高速Gbit串行收發(fā)器，通常有額外的參考電壓;MAX10系列器件的ADC功能引腳電路也需要額外的參考電壓;一些帶DDR3控制器功能的FPGA引腳上通常也有專門的參考電壓……諸如此類的參考電壓我們都可以歸類為FPGA的輔助供電電壓，在實(shí)際電源電路連接和設(shè)計(jì)過(guò)程中，都必須予以考慮。

● 電流低于100mA的電壓可以考慮使用LDO穩(wěn)壓器產(chǎn)生，因?yàn)殡娐泛?jiǎn)單、使用元器件少、PCB面積占用小，且成本也相對(duì)低廉。

● 對(duì)電源電壓的紋波極為敏感的供電考慮使用LDO，如CMOS Sensor的模擬供電電壓、ADC芯片的參考電壓等。