DC/DC電源芯片的原理是什么？具有什么特點(diǎn)？

DC/DC電源指直流轉(zhuǎn)換為直流的電源，LDO(低壓差線性穩(wěn)壓器)芯片也應(yīng)該屬于DC/DC電源，一般只將直流變換到直流，這種轉(zhuǎn)換方式是通過(guò)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的電源稱(chēng)為DC/DC電源。而DC/DC電源芯片測(cè)試座則是根據(jù)電源芯片的各種測(cè)試條件要求而設(shè)計(jì)搭配的。

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(kāi)關(guān)電源中，被稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)。功率變換器中的電感滿(mǎn)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(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)加在濾波電感上的正向伏秒一定等于有源開(kāi)關(guān)截至?xí)r加在該電感上的反向伏秒。

PWM驅(qū)動(dòng)高電平使得NMOS管Q1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

PWM驅(qū)動(dòng)低電平使得NMOS管Q1截至?xí)r，電感電流不能突變，經(jīng)過(guò)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)

和BUCK電路方法相同，當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí)，電感的正向伏秒為：Vin*Ton;當(dāng)MOS管截止時(shí)，電感的反向伏秒為：-Vo*(Ts-Ton)

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

即 Vo=-Vin*(D/(1-D))

DC/DC芯片主要是通過(guò)反饋電壓與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓的的比較，從而調(diào)節(jié)MOS管驅(qū)動(dòng)波形的占空比，來(lái)保證輸出電壓的穩(wěn)定。

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(chēng)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(wèn)題，以導(dǎo)通電阻極小的MOS管取代續(xù)流二極管。通過(guò)控制器同時(shí)控制開(kāi)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。

DC/DC電源調(diào)制方式：

DC/DC電源屬于斬波類(lèi)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(kāi)關(guān)，通過(guò)控制開(kāi)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，在綜合所有調(diào)制方式以及測(cè)試條件下，需要和電源芯片測(cè)試座的工程師溝通確認(rèn)清楚，已確保各項(xiàng)測(cè)試性能均能達(dá)到要求。

1.PWM(脈沖寬度調(diào)制)

PWM采用恒定的開(kāi)關(guān)頻率，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度(占空比)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電源電壓的輸出。在PWM調(diào)制方式下，開(kāi)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(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)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(guò)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(kāi)始工作。

優(yōu)點(diǎn)：功耗較低，輕負(fù)載時(shí)，效率高且無(wú)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。

1.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.溫度保護(hù)：當(dāng)溫度高于限定值，芯片停止工作。

3.限流保護(hù)：如果電流比較器的電阻上的電流過(guò)大，輸出就會(huì)降低，直到超過(guò)下限閾值，電源芯片就會(huì)出現(xiàn)打嗝現(xiàn)象。這個(gè)模式可以在輸出發(fā)生短路的情況下很好地保護(hù)芯片，保護(hù)穩(wěn)壓管，一旦過(guò)流現(xiàn)象消除，打嗝也會(huì)消除。

4.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。

1.設(shè)置輸出電壓：先選擇合適的R2,R2過(guò)小會(huì)導(dǎo)致靜態(tài)電流過(guò)大，從而導(dǎo)致加大損耗;R2太大會(huì)導(dǎo)致靜態(tài)電流過(guò)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。

2.電感：電感的選擇要滿(mǎn)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(guò)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。一般在芯片的datasheet中會(huì)有相應(yīng)的計(jì)算公式。

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(lái)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(guò)電容電流成正比，該電流紋波主要是和開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)，基本為開(kāi)關(guān)頻率的n次諧波，為了減少紋波，讓ESR盡量小。

針對(duì)以上對(duì)DC/DC電源芯片的詳解，鴻怡電子根據(jù)此類(lèi)電源芯片的測(cè)試條件要求，除芯片的性能要求，還需要了解芯片的多通道pin map的位置，確認(rèn)其輸入輸出引腳數(shù)量以及分配情況，電源芯片測(cè)試座在使用過(guò)程中的需要匹配多通道大電流芯片，對(duì)各通道的引腳的分配是必選要知道的，這樣才能輔助完成對(duì)應(yīng)的電源芯片測(cè)試座設(shè)計(jì)。

DC-DC電源模塊由于體積小、高可靠性、以及穩(wěn)壓輸出等優(yōu)勢(shì)，使得它在市場(chǎng)上大為流行，并且電源模塊還有隔離作用，抗干擾能力也是比較強(qiáng)的，且還帶有保護(hù)功能，加之半導(dǎo)體工藝等行業(yè)發(fā)展，需求量大，從而電源模塊也開(kāi)始大量使用。

DC-DC電源模塊發(fā)展：

隨著半導(dǎo)體工藝、封裝技術(shù)和高頻軟開(kāi)關(guān)的大量使用,模塊電源功率密度越來(lái)越大,轉(zhuǎn)換效率越來(lái)越高,應(yīng)用也越來(lái)越簡(jiǎn)單。人們?cè)陂_(kāi)關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域是邊開(kāi)發(fā)相關(guān)的電力電子器件，邊開(kāi)發(fā)開(kāi)關(guān)變頻技術(shù)，兩者相互促進(jìn)推動(dòng)著開(kāi)關(guān)電源每年以超過(guò)兩位數(shù)字的增長(zhǎng)率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開(kāi)關(guān)電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類(lèi)，DC/DC變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化，且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國(guó)內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，并已得到用戶(hù)的認(rèn)可。

DC-DC電源模塊是什么?

電源模塊是可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供應(yīng)器，有降壓和升壓兩種，其特點(diǎn)是可為專(zhuān)用集成電路(ASIC)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、微處理器、存儲(chǔ)器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 及其他數(shù)字或模擬負(fù)載提供供電。

DC-DC電源模塊工作原理：

DC-DC是用開(kāi)關(guān)電源的思想實(shí)現(xiàn)的。DC-DC有降壓和升壓兩種，在這里只說(shuō)降壓，比如說(shuō)你給DC-DC輸入10V，DC-DC內(nèi)部有個(gè)振蕩器和斬波模塊，例如，把在一個(gè)時(shí)間段允許10V通過(guò)，另一時(shí)間段內(nèi)不允許10V通過(guò)(等于0v)。而在輸出端有一個(gè)電容進(jìn)行濾波，只要電容足夠大，其結(jié)果就等于將中間的那個(gè)脈沖波形進(jìn)行微積分，而輸出一個(gè)5V 。

這個(gè)降壓的過(guò)程相對(duì)于穩(wěn)壓模塊來(lái)說(shuō)，更大限度地避免了電能在降壓模塊上面的消耗，并且內(nèi)部震蕩部分控制其占空比就能改變輸出電壓大小(在10V范圍內(nèi))，使其輸出能恒定(比如某個(gè)DC-DC規(guī)定輸入范圍是6V到16V，輸出5V，只要是在這個(gè)輸入范圍內(nèi)，輸出都是5v誤差只有零點(diǎn)零幾伏，而穩(wěn)壓模塊的輸出則和輸入電壓有一定的線性關(guān)系，輸入7V的輸出電壓和輸入14V的輸出電壓差得比較大)。

DC-DC電源模塊應(yīng)用領(lǐng)域：

1.電力，主要有集成器和電表以及智能電表。

2.工控，工業(yè)控制領(lǐng)域。

3.醫(yī)療，醫(yī)療設(shè)備，主要有護(hù)胎儀，監(jiān)護(hù)儀等等。

4.軍工，軍工業(yè)是應(yīng)用很廣泛的一個(gè)方面。

在科技進(jìn)步如此迅猛的時(shí)代，穩(wěn)定高效的電源已成為人類(lèi)追求的核心需求。DC-DC電源模塊這一嶄新的能源轉(zhuǎn)換利器，逐漸躋身各行各業(yè)的重要角色。穎特新將帶你深入探討DC-DC電源模塊的神奇魔力與運(yùn)作原理，并憧憬其在未來(lái)應(yīng)用領(lǐng)域的美好愿景。

一、概述

DC-DC電源模塊是一種將輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為特定輸出直流電壓的設(shè)備。它采用了開(kāi)關(guān)式電源轉(zhuǎn)換原理，具有高效率、低損耗、小體積、輕便等優(yōu)點(diǎn)，逐漸替代傳統(tǒng)的線性電源技術(shù)。

二、工作原理

1.DC-DC電源模塊的核心部件是開(kāi)關(guān)器件，如MOSFET、IGBT等。通過(guò)周期性地打開(kāi)和關(guān)閉開(kāi)關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)輸入電壓的脈沖化。接著利用電感、電容等無(wú)源元件進(jìn)行濾波和整流，得到所需的穩(wěn)定輸出電壓。DC-DC電源模塊主要有以下幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

2.降壓(Buck)：該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將輸入電壓降低為所需輸出電壓，適用于輸入電壓大于輸出電壓的場(chǎng)景。

3.升壓(Boost)：升壓拓?fù)鋵⑤斎腚妷禾岣叩教囟ㄝ敵鲭妷?，廣泛應(yīng)用于輸入電壓低于輸出電壓的場(chǎng)合。

4.倒激(Flyback)：倒激拓?fù)淠軐?shí)現(xiàn)電壓的升降變換和隔離功能，適合交流/直流和直流/直流轉(zhuǎn)換。

5.正激(Forward)：與倒激相似，正激拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換和隔離，但具有更高的效率和功率密度。