教你如何選擇最佳的開關(guān)式DC/DC轉(zhuǎn)換器

利用電容、電感的儲能的特性，通過可控開關(guān)(MOSFET等)進行高頻開關(guān)的動作，將輸入的電能儲存在電容(感)里，當(dāng)開關(guān)斷開時，電能再釋放給負載，提供能量就是開關(guān)電源。其輸出的功率或電壓的能力與占空比(由開關(guān)導(dǎo)通時間與整個開關(guān)的周期的比值)有關(guān)。開關(guān)電源可以用于升壓和降壓。

DC/DC轉(zhuǎn)換器是利用MOSFET開關(guān)閉合時在電感器中儲能，并產(chǎn)生電流。當(dāng)開關(guān)斷開時，貯存的電感器能量通過二極管輸出給負載。如下圖所示：

三種典型的DC/DC變換器框圖

所示三種變換器的工作原理都是先儲存能量，然后以受控方式釋放能量，從而得到所需要的輸出電壓。對某一工作來講，最佳的開關(guān)式DC/DC變換器是可以用最小的安裝成本滿足系統(tǒng)總體需要的。這可以通過一組描述開關(guān)式DC/DC變換器性能的參數(shù)來衡量，它們包括：高效率、小的安裝尺寸、小的靜態(tài)電流、較小的工作電壓、低噪聲、高功能集成度、足夠的輸出電壓調(diào)節(jié)能力、低安裝成本。

工作效率

①電感式DC/DC變換器：電池供電的電感式DC/DC變換器的轉(zhuǎn)換效率為80%~85%,其損耗主要來自外部二極管和調(diào)制器開關(guān)。

②無電壓調(diào)節(jié)的電荷泵：為基本電荷泵(如TC7660H)。它具有很高的功率轉(zhuǎn)換效率(一般超過90%)，這是因為電荷泵的損耗主要來自電容器的ESR和內(nèi)部開關(guān)管的導(dǎo)通電阻(RDS-ON)，而這兩者都可以做得很低。

③帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵：它是在基本電荷泵的輸出之后增加了低壓差的線性調(diào)節(jié)器。雖然提供了電壓調(diào)節(jié)，但其效率卻由于后端調(diào)節(jié)器的功耗而下降。為達到最高的效率，電荷泵的輸出電壓應(yīng)當(dāng)與后端調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后的電壓盡可能接近。

最佳選擇是：無電壓調(diào)節(jié)式電荷泵(在不需要嚴格的輸出調(diào)節(jié)的應(yīng)用中)，或帶電壓調(diào)節(jié)式電荷泵(如果后端調(diào)節(jié)器兩端的壓差足夠小)。

安裝尺寸

①電感式DC/DC變換器：雖然很多新型電感式DC/DC變換器都可以提供SOT封裝，但它們通常仍然需要物理外形較大的外部電感器。而且電感式DC/DC變換器的電路布局自身也需要較大的板級空間(額外的去耦、特殊的地線處理、屏蔽等)。

②無電壓調(diào)節(jié)的電荷泵：電荷泵不用電感器，但需要外部電容器。新型電荷泵器件采用SOP封裝，工作在較高的頻率，因此可以使用占用空間較小的小型電容器(1μF)。電荷泵IC芯片和外部電容器合起來所占用的空間，還不如電感式DC/DC變換器中的電感大。利用電荷泵還很容易獲得正、負組合的輸出電壓。如TCM680器件僅用外部電容即可支持+2 UIN的輸出電壓。而采用電感式DC/DC變換器要獲得同樣的輸出電壓則需要獨立的兩個變換器，如用一個變換器，就得用具有復(fù)雜拓撲結(jié)構(gòu)的變壓器。

③帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵：增加分立的后端電壓調(diào)節(jié)器占用了更多空間，然而許多此類調(diào)節(jié)器都有SOT形式的封裝，相對減少了占用的空間。新型帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵器件，如TCM850,在單個8引腳50lC封裝中集成了電荷泵、后端電壓調(diào)節(jié)器和關(guān)閉控制。

最佳選擇是：無電壓調(diào)節(jié)或帶電壓調(diào)節(jié)電荷泵。

靜態(tài)電流

①電感式DC/DC變換器：頻率調(diào)制(PFM)電感式DC/DC變換器是靜態(tài)電流最小的開關(guān)式DC/DC變換器，通過頻率調(diào)制進行電壓調(diào)節(jié)可在小負載電流下使供電電流最小。

②無電壓調(diào)節(jié)的電荷泵：電荷泵的靜態(tài)電流與工作頻率成比例。多數(shù)新型電荷泵工作在150kHz以上的頻率，從而可使用1μF甚至更小的電容。為克服因此帶來的靜態(tài)電流大的問題，一些電荷泵具有關(guān)閉輸入引腳，以在長時間閑置的情況下關(guān)閉電荷泵，從而將供電電流降至接近零。

③帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵：后端電壓調(diào)節(jié)器增加了靜態(tài)電流，因此帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵在靜態(tài)電流方面比基本電荷泵要差。

最佳選擇是：電感式DC/DC變換器，特別是頻率調(diào)制(PFM)開關(guān)式。[!--empirenews.page--]

最小工作電壓

①電感式DC/DC變換器：電池供電專用電感式DC/DC變換器(如TC16)可在低至1V甚至更低的電壓下啟動工作，因此非常適合用于單節(jié)電池供電的電子設(shè)備。

②無電壓調(diào)節(jié)的電荷泵/帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵：多數(shù)電荷泵的最小工作電壓為1.5V或更高，因此適合于至少有兩節(jié)電池的應(yīng)用。

最佳選擇是：電感式DC/DC變換器。

產(chǎn)生的噪聲

①電感式DC/DC變換器：電感式DC/DC變換器是電源噪聲和開關(guān)輻射噪聲(EMI)的來源。寬帶PFM電感式DC/DC變換器會在寬頻帶內(nèi)產(chǎn)生噪聲?？刹扇√岣唠姼惺紻C/DC變換器的工作頻率，使其產(chǎn)生的噪聲落在系統(tǒng)的頻帶之外。

②無電壓調(diào)節(jié)的電荷泵/帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵：電荷泵不使用電感，因此其EMI影響可以忽略。泵輸入噪聲可以通過一個小電容消除。

最佳選擇是：無電壓調(diào)節(jié)或帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵。

集成度

①電感式DC/DC變換器：現(xiàn)已開發(fā)出集成了開關(guān)調(diào)節(jié)器和其他功能(如電壓檢測器和線路調(diào)節(jié)器)的芯片。如TC16芯片就在一個SO-8封裝內(nèi)集成了一個PFM升壓變換器、LD0和電壓檢測器。與分立實現(xiàn)方案相比，此類器件提供了優(yōu)異的電氣性能，并且占用較小的空間。

②無電壓調(diào)節(jié)的電荷泵：基本電荷泵，如TC7660,沒有附加功能的集成，占用空間小。

③帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵：集成更多功能的帶電壓調(diào)節(jié)電荷泵芯片已成為目前的一種發(fā)展趨勢。很明顯，下一代帶調(diào)節(jié)電荷泵的功能集成度將可與電感式DC/DC變換器集成芯片相比。

最佳選擇是：電感式DC/DC變換器。

輸出調(diào)節(jié)

①電感式DC/DC變換器：電感式DC/DC變換器具有良好的輸出調(diào)節(jié)能力。一些電感式DC/DC變換器還具有外部補償引腳，允許根據(jù)應(yīng)用“精細調(diào)整”輸出的瞬態(tài)響應(yīng)特性。

②無電壓調(diào)節(jié)的電荷泵：此類器件輸出沒有電壓調(diào)節(jié)，它們只簡單地將輸人電壓變換為負或刀倍的輸出電壓。困此，輸出電壓會隨著負載電流的增加而下降。雖然這對某些應(yīng)用(如LCD偏置)并不是問題，但不適用需要穩(wěn)定的輸出電壓的應(yīng)用場合。

③帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵：它通過后端線性電壓調(diào)節(jié)器(片上或外部)提供電壓調(diào)節(jié)(穩(wěn)壓)。在一些情況下，需要為電荷泵增加開關(guān)級數(shù)，以為后端調(diào)節(jié)器提供足夠的凈空間，這時就需要增加外部電容，從而會給尺寸、成本和效率帶來負面的影響。但后端線性調(diào)壓器可使帶調(diào)節(jié)電荷泵的輸出電壓的穩(wěn)定性與電感式DC/DC變換器一樣。

最佳選擇是：帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵。

安裝成本

①電感式DC/DC變換器：近年來采用電感式DC/DC變換器的成本逐漸下降，并且對外部元件的需求也變得更少了。但電感式DC/DC變換器最少需要一個外部電感、電容和肖特基二極管。二極管、電感，再加上相對價格較高的開關(guān)變換芯片，其總成本要比電荷泵高。

②無電壓調(diào)節(jié)的電荷泵：無電壓調(diào)節(jié)的電荷泵比電感式DC/DC變換器便宜，且僅需要外部電容(沒有電感)，節(jié)約了板空間、電感的成本，以及某些情況下的屏蔽成本。

③帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵：帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵的成本大約與電感開關(guān)式DC/DC變換器本身的成本相當(dāng)。在一些情況下，可采用外部后端電壓調(diào)節(jié)器以降低成本，但卻會增加所需的安裝空間和降低工作效率。

最佳選擇是：在不需要嚴格穩(wěn)壓的場合的最佳選擇為無電壓調(diào)節(jié)的電荷泵;若為對輸出電壓穩(wěn)壓有要求的場合，選擇帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵和電感式DC/DC變換器的成本大致相當(dāng)。

按照上述的最佳選擇竅門運用于設(shè)計應(yīng)用中，將會更有利于節(jié)省時間成本，提高效率。