如何利用DC/DC電源變換器實現(xiàn)開關電源的應用設計？

DC-DC電源芯片是一種用于控制和調節(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。它們在移動設備、通信產品、汽車、醫(yī)療儀器和各種工業(yè)領域等各種應用中都有廣泛的用途。隨著電子產品復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，并能快速響應負載變化，但效率較低，不適合在需求功率較高的應用中使用。

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，因此在電池供電設備、LED照明、數(shù)碼攝像機等電子產品中被廣泛應用。

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，在便攜式設備、嵌入式系統(tǒng)、機器人等應用中得到廣泛應用。

4. 帶負載開關的DC-DC電源芯片

帶負載開關的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。這類芯片可以將輸入電壓轉換為需要的輸出電壓，而且還具有快速響應和較大容量的特點，因此在高功率需求的領域如工業(yè)自動化、RF通訊等領域得到廣泛應用。

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整電源輸出電壓和電流。這類芯片適合在需要頻繁調節(jié)電壓的場合，如變頻器、無線電通信、音視頻處理等應用中使用。

以上是目前市場上常用的DC-DC電源芯片類型。當然，各類型號的芯片在不同應用下會有不同的特點和優(yōu)點，因此在應用時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量和性能的因素。目前市場上有不少知名的DC-DC電源芯片廠商，如TI、ADI、ST及ON等，它們的電源芯片產品質量一般視為比較好的。

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

1.同步和異步整流

同步：同步整流是采用導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，它在導通時的伏安特性呈線性關系。用功率MOS做整流器時，要求柵極電壓必須與被整流電壓的相位保持同步(本質是直流轉“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MOS管(或者說開關管)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

在應用中上下管都是MOS管就是同步的，只有一個上管的開關的就是非同步的，在主功率那一級中的功率開關管是我們常見的晶體管，而續(xù)流二極管變成了開關管，那么這個開關管就叫同步場效應管。一個柵極半橋驅動控制器，外圍加上上下兩個DrMOS管，那么上管就是功率管，下管是同步的場效應管，如此就可以看出它是一個同步結構的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

對于異步整流，當降壓比高時，續(xù)流二極管的導通時間長，而如果Vout低，整體損耗比例會因為續(xù)流二極管的VF而變大。并且電流通過二極管只朝一個方向流動，成為不連續(xù)工作產生振鈴。對于同步整流，輕負載時，電感電流有時會變?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)工作時的波形圖：電流通過二極管只朝一個方向流動，成為不連續(xù)工作產生振鈴。

圖5-3：異步產生的振鈴現(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時的損耗=Iout2×Ron×(1-ON Duty);Ron：下管SW的導通電阻

假設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)內只認為以開關形式實現(xiàn)的電源為DC/DC電源。

一，DC/DC基本拓撲

Buck、Boost型

電感電壓伏秒平衡定律

一個功率變換器，當輸入、負載和控制均為固定值時的工作狀態(tài)，在開關電源中，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：對于已工作在穩(wěn)態(tài)的DC/DC功率變換器，有源開關導通時加在功率電感上的正向伏秒一定等于有源開關截至時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電路原理和信號轉變過程

當PWM驅動高電平使得NMOS管S1導通，忽略MOS管的導通壓降，電感電流呈線性上升，此時電感正向伏秒為：V*Ton=(Vin-Vo)*Ton

當PWM驅動低電平使得NMOS管S1截至時，電感電流不能突變，經過續(xù)流二極管形成回路(忽略二極管壓降)，給輸出負載供電，此時電感電流下降，此時電感反向伏秒為：V*Toff=Vo*(Ts-Ton)

根據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MOS管導通時，電感的正向伏秒為：Vin*Ton;當MOS管截至時，電感的反向伏秒為：(Vo- Vin)*(Ts-Ton)

根據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

由于二極管導通時至少存在0.3V的壓降，因此續(xù)流二極管D所消耗的功率將會稱為DC/DC電源主要功耗，從而嚴重限制了效率的提高。為解決該問題，以導通電阻極小的MOS管取代續(xù)流二極管。然后通過控制器同時控制開關管和同步整流管，要保證兩個MOS管不能同時導通，負責將會發(fā)生短路。

二、DC/DC電源調制方式

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

1.PWM(脈沖寬度調制)

PWM采用恒定的開關頻率，通過調節(jié)脈沖寬度(占空比)的方法來實現(xiàn)穩(wěn)定電源電壓的輸出。在PWM調制方式下，開關頻率恒定，即不存在長時間被關斷的情況。

優(yōu)點：噪聲低、效率高，對負載的變化響應速度快，且支持連續(xù)供電的工作模式。

缺點：輕負載時效率較低，且電路工作不穩(wěn)定，在設計上需要提供假負載。

2.PFM(脈沖頻率調制)

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

優(yōu)點：功耗較低，輕負載時，效率高且無需提供假負載。

缺點：對負載變化響應較慢，輸出電壓的噪聲和紋波相對較大，不適合工作于連續(xù)供電方式。

三、DC/DC芯片的內部構造

接下來我們來看看DC/DC電源芯片內部的單元模塊，并且給大家看看基本拓撲與電源芯片的聯(lián)系，先來看一個圖。

一款電源背光IC的內部原理框圖

1.Vref&Error Amp基準電壓與誤差放大器

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

2.Thermal Shutdown 溫度保護：當溫度高于限定值，芯片停止工作。

3.soft start軟啟動電路：用于電源啟動時，減小浪涌電流，使輸出電壓緩慢上升，減小對輸入電源的影響。

四、DC/DC電路的硬件設計參數(shù)選擇標準

1.設置輸出電壓：先選擇合適的R2,R2過小會導致靜態(tài)電流過大，從而導致加大損耗;R2太大會導致靜態(tài)電流過小，而導致FB引腳的反饋電壓對噪聲敏感，一般在數(shù)據手冊中有推薦值范圍參考。選定R2，根據輸出電壓計算R1的值，R1=((Vout-Vref)/Vref)*R2。電壓選定以后，開關電源會自動調節(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，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、體積等多個因素進行考慮。較大的電感將導致較小的紋波電流，從而導致較低的紋波電壓，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，開關電源PWM信號的頻率就越高，一般開關電源很少有好過10MHz的開關頻率，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設計中所需要的輸出紋波的要求來進行選取。電容產生的紋波:相對很小，可以忽略不計;電容等效電感產生的紋波:在300KHz~500KHz以下，可以忽略不計;電容等效電阻產生的紋波：與ESR和流過電容電流成正比，該電流紋波主要是和開關管的開關頻率有關，基本為開關頻率的n次諧波，為了減少紋波，讓ESR盡量小。需要在開關電源輸出端增加pF級電容，減少百兆級噪聲的干擾。