DC/DC基本拓?fù)洌築uck、Boost設(shè)計(jì)

所周知，升壓芯片在諸多電子電路中均有所應(yīng)用，在現(xiàn)代生活中，升壓芯片是不可或缺的器件之一。對(duì)于升壓芯片，想必大家均具備一定了解。在本文中，將主要為大家講解一下升壓芯片的原理和一些常見(jiàn)的升壓和降壓電路分析.

升壓與降壓一般是指電源電路的工作模式，有些電源IC可以同時(shí)支持升壓和降壓模式。

降壓模式——Bustmode，這個(gè)大家比較熟悉的，用的也比較多，比如5V-3.3V穩(wěn)壓，對(duì)應(yīng)的芯片很多大家上網(wǎng)搜一下就有了，有LDO模式和DC-DC模式的。其中LDO模式的芯片外圍電路較簡(jiǎn)單，只需在輸入和輸出端加上濾波電容即可。而DC-DC模式的芯片電路相對(duì)較復(fù)雜一點(diǎn)，但是效率較高。一般需要外接電容和電感，通過(guò)閉合開(kāi)關(guān)對(duì)電感進(jìn)行充電，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)之后，電感作為一個(gè)電源進(jìn)行放電，可以通過(guò)PWM的占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓值，電壓值最大不會(huì)超過(guò)電源電壓。對(duì)于DC-DC降壓模式的基本電路如下圖所示：

升壓模式——Boostmode，這個(gè)也很常見(jiàn)，也是DC-DC的一種。當(dāng)整個(gè)電路只使用單個(gè)電源(比如3.7V鋰電池)供電時(shí)，可以通過(guò)降壓輸出3.3V、1.6V等較低電壓給IC供電，有時(shí)候電路中需要更高的電壓，比如一些移動(dòng)設(shè)備的屏幕就需要較高電壓驅(qū)動(dòng)，比如12V，在移動(dòng)設(shè)備中再增加一個(gè)12的獨(dú)立電源不太現(xiàn)實(shí)，而且鋰電池一般都是3.7V(充滿(mǎn)電為4.2V)，這個(gè)時(shí)候就需要使用到升壓電路了，這個(gè)也有對(duì)應(yīng)的IC，一般要配合電感、電容實(shí)現(xiàn)升壓和降壓模式中DC-DC的連接方式不一樣。通過(guò)閉合開(kāi)關(guān)給電感充能，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)則電感的電動(dòng)勢(shì)和電源串聯(lián)，提高電壓?？梢酝ㄟ^(guò)PWM的占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，當(dāng)占空比為50%時(shí)，輸出電壓為輸入電壓的2倍。升壓的基本電路如下圖所示：

升壓降壓芯片電路

做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)常常會(huì)遇到只有一種電壓的電源卻需要另一種電壓的電源的情況，于是就有了電壓轉(zhuǎn)化的需求，除去buck-boost電路，也有很多常用的芯片可以供大家轉(zhuǎn)換電壓。

12轉(zhuǎn)5v時(shí)常用7805，轉(zhuǎn)-5v時(shí)候會(huì)用7905。有關(guān)電路可以直接搜索芯片的datasheet查看，也可以看下面的截圖。

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(lái)說(shuō)，LDO也是DCDC電源，但行業(yè)內(nèi)只認(rèn)為以開(kāi)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(kāi)關(guān)電源中，被稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)下，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)加在功率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。

1. BUCK降壓型

BUCK電路原理和信號(hào)轉(zhuǎn)變過(guò)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(xiàn)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(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)

2.BOOST升壓型

和BUCK電路類(lèi)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)

仿真Vout升壓過(guò)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(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。然后通過(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。

二、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。

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。

三、DC/DC芯片的內(nèi)部構(gòu)造

接下來(lái)我們來(lái)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。

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(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。電壓選定以后，開(kāi)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(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。電感感值越小，開(kāi)關(guān)電源PWM信號(hào)的頻率就越高，一般開(kāi)關(guān)電源很少有好過(guò)10MHz的開(kāi)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(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。需要在開(kāi)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。

boost升壓斬波的原理圖啦，現(xiàn)在講講它的工作原理，(學(xué)過(guò)電力電子的朋友請(qǐng)?zhí)^(guò)哦，都是那點(diǎn)東西，沒(méi)啥好說(shuō)的，哈哈哈哈哈)

原理：三極管導(dǎo)通時(shí)Vin(也就是電池)給電感L充電，也就是儲(chǔ)能哈，這個(gè)時(shí)候注意電感上的電流是向右流的哦，這個(gè)很關(guān)鍵，學(xué)過(guò)電路的小伙伴應(yīng)該都知道電感和電容有儲(chǔ)能的能力，因?yàn)檫@是第一個(gè)周期，電容是沒(méi)有電的哦。

在三極管截止時(shí)，因?yàn)殡姼猩系碾娏魇遣粫?huì)突變的啦，所以還是從左向右流，而且電池也是這個(gè)方向呀，所以所以，它兩看著像個(gè)啥，這不就變成兩電池串聯(lián)了嘛，這樣電壓不就比一個(gè)電池高了?這樣就可以給負(fù)載供電了呀。

接下來(lái)三極管再次導(dǎo)通，剛剛被掏空的電感這下又要電池去給它充電，那那那負(fù)載不就斷開(kāi)啦?那可沒(méi)有，還有電容老哥苦苦撐著的嘛，只要電容老哥夠大，還有剛剛給它的能量足夠多，它就能撐住這一刻的電壓，而且這個(gè)時(shí)候因?yàn)橛卸O管的存在，兩邊是基本不影響的哦。

就這樣一直循環(huán)循環(huán)下去，就能輸出這個(gè)電壓呀。

當(dāng)然啦，原理是這個(gè)，但實(shí)際電路中都不用一般的三極管呀，畢竟普通的三極管還是需要外界提供給它一個(gè)開(kāi)斷信號(hào)的嘛，而且還需要一些反饋信號(hào)之類(lèi)的作為平衡輸出電壓的源頭，所以我們要挑選一顆集成的芯片啦，反正普通的芯片供電對(duì)其功率要求又不高，能有一兩瓦都謝天謝地啦，挑去挑來(lái)就這個(gè)吧，南京微盟的ME2188C50M5G(立創(chuàng)商城編號(hào)：C236768)，支持國(guó)產(chǎn)嘛，當(dāng)然，小伙伴們也可以用其他的啦，大同小異。