如何利用DC/DC電源變換器實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的應(yīng)用設(shè)計(jì)？

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電源芯片通過將輸入電壓降低到所需的輸出電壓來保持穩(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，它可以通過編程來調(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，來確保產(chǎn)品的品質(zhì)和性能。

1.同步和異步整流

同步：同步整流是采用導(dǎo)通電阻極低的專用功率MOS，來取代整流二極管以降低整流損耗。它能大大提高DC-DC變換器的效率并且不存在由肖特基勢(shì)壘電壓而造成的死區(qū)電壓。功率MOS屬于電壓控制型器件，它在導(dǎo)通時(shí)的伏安特性呈線性關(guān)系。用功率MOS做整流器時(shí)，要求柵極電壓必須與被整流電壓的相位保持同步(本質(zhì)是直流轉(zhuǎn)“交流”，“交流”再平滑為直流)才能完成整流功能，故稱之為同步整流。

異步：只有一個(gè)MOS管(或者說開關(guān)管)續(xù)流元件是二極管這種類型就屬于異步整流。

圖6-1：異步降壓和同步降壓

在應(yīng)用中上下管都是MOS管就是同步的，只有一個(gè)上管的開關(guān)的就是非同步的，在主功率那一級(jí)中的功率開關(guān)管是我們常見的晶體管，而續(xù)流二極管變成了開關(guān)管，那么這個(gè)開關(guān)管就叫同步場(chǎng)效應(yīng)管。一個(gè)柵極半橋驅(qū)動(dòng)控制器，外圍加上上下兩個(gè)DrMOS管，那么上管就是功率管，下管是同步的場(chǎng)效應(yīng)管，如此就可以看出它是一個(gè)同步結(jié)構(gòu)的Buck電路。

2.同異步整流的區(qū)別

圖5-2：同步和異步整流電流路徑

對(duì)于異步整流，當(dāng)降壓比高時(shí)，續(xù)流二極管的導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)，而如果Vout低，整體損耗比例會(huì)因?yàn)槔m(xù)流二極管的VF而變大。并且電流通過二極管只朝一個(gè)方向流動(dòng)，成為不連續(xù)工作產(chǎn)生振鈴。對(duì)于同步整流，輕負(fù)載時(shí)，電感電流有時(shí)會(huì)變?yōu)?A，電流可以通過MOS逆流，以維持并穩(wěn)定連續(xù)工作。

如下圖5-3是異步降壓型，當(dāng)輸入電壓為5V，輸出電壓為1V，振蕩頻率為1MHZ，不連續(xù)工作時(shí)的波形圖：電流通過二極管只朝一個(gè)方向流動(dòng)，成為不連續(xù)工作產(chǎn)生振鈴。

圖5-3：異步產(chǎn)生的振鈴現(xiàn)象

圖5-4：同異步電流Id

異步整流的損耗=VF×Iout×(1-ON Duty)

同步整流ON時(shí)的損耗=Iout2×Ron×(1-ON Duty);Ron：下管SW的導(dǎo)通電阻

假設(shè)Vin=5V，Vout=1V，Iout=2A，那么異步整流二極管的損耗為：P=0.5×2×(1-0.2)=0.8W，同步整流MOS的損耗為P=2×2×0.05×(1-0.2)=0.16W，可見電流越大，損耗差別越大。

DC/DC電源指的是直流轉(zhuǎn)直流的電路，有升壓降壓兩種電路，按理來說，LDO也是DCDC電源，但行業(yè)內(nèi)只認(rèn)為以開關(guān)形式實(shí)現(xiàn)的電源為DC/DC電源。

一，DC/DC基本拓?fù)?

Buck、Boost型

電感電壓伏秒平衡定律

一個(gè)功率變換器，當(dāng)輸入、負(fù)載和控制均為固定值時(shí)的工作狀態(tài)，在開關(guān)電源中，被稱為穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)下，功率變換器中的電感滿足電感電壓伏秒平衡定律：對(duì)于已工作在穩(wěn)態(tài)的DC/DC功率變換器，有源開關(guān)導(dǎo)通時(shí)加在功率電感上的正向伏秒一定等于有源開關(guān)截至?xí)r加在該電感上的反向伏秒。

1. BUCK降壓型

先來看一下原理圖

BUCK電路原理和信號(hào)轉(zhuǎn)變過程

當(dāng)PWM驅(qū)動(dòng)高電平使得NMOS管S1導(dǎo)通，忽略MOS管的導(dǎo)通壓降，電感電流呈線性上升，此時(shí)電感正向伏秒為：V*Ton=(Vin-Vo)*Ton

當(dāng)PWM驅(qū)動(dòng)低電平使得NMOS管S1截至?xí)r，電感電流不能突變，經(jīng)過續(xù)流二極管形成回路(忽略二極管壓降)，給輸出負(fù)載供電，此時(shí)電感電流下降，此時(shí)電感反向伏秒為：V*Toff=Vo*(Ts-Ton)

根據(jù)電感電壓伏秒平衡定律可得：(Vin-Vo)*Ton=Vo*(Ts-Ton)

即 Vo=D*Vin (D為占空比)

2.BOOST升壓型

和BUCK電路類似的分析方法，當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí)，電感的正向伏秒為：Vin*Ton;當(dāng)MOS管截至?xí)r，電感的反向伏秒為：(Vo- Vin)*(Ts-Ton)

根據(jù)電感電壓伏秒平衡定律可得：Vin*Ton=(Vo- Vin)*(Ts-Ton)

即 Vo=Vin/(1-D)

matlab仿真圖：

matlab仿真圖

仿真Vout升壓過程

3.同步整流技術(shù)

由于二極管導(dǎo)通時(shí)至少存在0.3V的壓降，因此續(xù)流二極管D所消耗的功率將會(huì)稱為DC/DC電源主要功耗，從而嚴(yán)重限制了效率的提高。為解決該問題，以導(dǎo)通電阻極小的MOS管取代續(xù)流二極管。然后通過控制器同時(shí)控制開關(guān)管和同步整流管，要保證兩個(gè)MOS管不能同時(shí)導(dǎo)通，負(fù)責(zé)將會(huì)發(fā)生短路。

二、DC/DC電源調(diào)制方式

DC/DC電源屬于斬波類型，即按照一定的調(diào)制方式，不斷地導(dǎo)通和關(guān)斷高速開關(guān)，通過控制開關(guān)通斷的占空比，可以實(shí)現(xiàn)直流電源電平的轉(zhuǎn)換。DC/DC電源的調(diào)制方式有三種：PWM方式、PFM方式、PWM與PFM的混合方式。

1.PWM(脈沖寬度調(diào)制)

PWM采用恒定的開關(guān)頻率，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度(占空比)的方法來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電源電壓的輸出。在PWM調(diào)制方式下，開關(guān)頻率恒定，即不存在長(zhǎng)時(shí)間被關(guān)斷的情況。

優(yōu)點(diǎn)：噪聲低、效率高，對(duì)負(fù)載的變化響應(yīng)速度快，且支持連續(xù)供電的工作模式。

缺點(diǎn)：輕負(fù)載時(shí)效率較低，且電路工作不穩(wěn)定，在設(shè)計(jì)上需要提供假負(fù)載。

2.PFM(脈沖頻率調(diào)制)

PFM通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電源電壓的輸出。PFM工作時(shí)，在輸出電壓超過上閾值電壓后，其輸出將關(guān)斷，直到輸出電壓跌落到低于下閾值電壓時(shí)，才重新開始工作。

優(yōu)點(diǎn)：功耗較低，輕負(fù)載時(shí)，效率高且無需提供假負(fù)載。

缺點(diǎn)：對(duì)負(fù)載變化響應(yīng)較慢，輸出電壓的噪聲和紋波相對(duì)較大，不適合工作于連續(xù)供電方式。

三、DC/DC芯片的內(nèi)部構(gòu)造

接下來我們來看看DC/DC電源芯片內(nèi)部的單元模塊，并且給大家看看基本拓?fù)渑c電源芯片的聯(lián)系，先來看一個(gè)圖。

一款電源背光IC的內(nèi)部原理框圖

1.Vref&Error Amp基準(zhǔn)電壓與誤差放大器

誤差放大器的作用就是將反饋電壓(FB引腳電壓)與基準(zhǔn)電壓(200mv)的差值進(jìn)行放大，然后再用該信號(hào)去控制PWM輸出信號(hào)的占空比。

2.Thermal Shutdown 溫度保護(hù)：當(dāng)溫度高于限定值，芯片停止工作。

3.soft start軟啟動(dòng)電路：用于電源啟動(dòng)時(shí)，減小浪涌電流，使輸出電壓緩慢上升，減小對(duì)輸入電源的影響。

四、DC/DC電路的硬件設(shè)計(jì)參數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)

1.設(shè)置輸出電壓：先選擇合適的R2,R2過小會(huì)導(dǎo)致靜態(tài)電流過大，從而導(dǎo)致加大損耗;R2太大會(huì)導(dǎo)致靜態(tài)電流過小，而導(dǎo)致FB引腳的反饋電壓對(duì)噪聲敏感，一般在數(shù)據(jù)手冊(cè)中有推薦值范圍參考。選定R2，根據(jù)輸出電壓計(jì)算R1的值，R1=((Vout-Vref)/Vref)*R2。電壓選定以后，開關(guān)電源會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)占比總，取得我們想要的電壓。

2.電感：電感的選擇要滿足直到輸出最小規(guī)定電流時(shí)，電感電流也保持連續(xù)。在電感選取過程中需要綜合輸出電流、紋波、體積等多個(gè)因素進(jìn)行考慮。較大的電感將導(dǎo)致較小的紋波電流，從而導(dǎo)致較低的紋波電壓，但是電感越大，將具有更大的物理占用面積，更高的串聯(lián)電阻和更低的飽和電流。電感感值越小，開關(guān)電源PWM信號(hào)的頻率就越高，一般開關(guān)電源很少有好過10MHz的開關(guān)頻率，大部分在100K~1MHz之間，所需要的功率電感值在2.2uH~22uH之間。

3.輸出電容：輸出電容的選擇主要是根據(jù)設(shè)計(jì)中所需要的輸出紋波的要求來進(jìn)行選取。電容產(chǎn)生的紋波:相對(duì)很小，可以忽略不計(jì);電容等效電感產(chǎn)生的紋波:在300KHz~500KHz以下，可以忽略不計(jì);電容等效電阻產(chǎn)生的紋波：與ESR和流過電容電流成正比，該電流紋波主要是和開關(guān)管的開關(guān)頻率有關(guān)，基本為開關(guān)頻率的n次諧波，為了減少紋波，讓ESR盡量小。需要在開關(guān)電源輸出端增加pF級(jí)電容，減少百兆級(jí)噪聲的干擾。