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[導(dǎo)讀] DC-DC電源變換器將一個(gè)固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術(shù)被應(yīng)用于更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。DC-DC變換器是通信設(shè)備中最常用的功能電路之一,其質(zhì)量和效率直接影響通信設(shè)備的正常運(yùn)行。本文所介紹的是選擇最佳DC/DC變換器的要點(diǎn)及途徑。

一、元器件的選擇

1.DC-DC電源變換器的三個(gè)元器件

1)開(kāi)關(guān): 無(wú)論哪一種DC/DC變換器主回路使用的元件只是電子開(kāi)關(guān)、電感、電容。電子開(kāi)關(guān)只有快速地開(kāi)通、快速地關(guān)斷這兩種狀態(tài)。只有快速狀態(tài)轉(zhuǎn)換引起的損耗才小,目前使用的電子開(kāi)關(guān)多是雙極型晶體管、功率場(chǎng)效應(yīng)管,逐步普及的有IGBT管,還有各種特性較好的新式的大功率開(kāi)關(guān)元件。

2)電感: 電感是開(kāi)關(guān)電源中常用的元件,由于它的電流,電壓相位不同,因此理論損耗為零。電感常為儲(chǔ)能元件,也常與電容公用在輸入濾波器和輸出濾波器上,用于平滑電流,也稱(chēng)它為扼流圈。其特點(diǎn)是流過(guò)它上的電流有“很大的慣性”.換句話(huà)說(shuō),由于“磁通連續(xù)性”,電感上的電流必須是連續(xù)的,否則將會(huì)產(chǎn)生很大的電壓尖峰波。 電感為磁性元件,自然有磁飽和的問(wèn)題,多數(shù)情況下,電感工作在線性區(qū),此時(shí)電感值為一常數(shù),不隨端電壓與流過(guò)的電流而變化。但是,在開(kāi)關(guān)電源中有一個(gè)不可忽視的問(wèn)題,就是電感的繞線所引起的兩個(gè)分布參數(shù)(或稱(chēng)寄生參數(shù))的現(xiàn)象。其一是繞線電阻,這是不可避免的;其二是分布式雜散電容,隨繞線工藝、材料而定。雜散電容在低頻時(shí)影響不大,隨頻率提高而漸顯出來(lái),到一頻率以上時(shí),電感也許變成電容的特性了。如果將雜散電容集成為一個(gè),則從電感的等效電路可看出在一角頻率后的電容性。

3)電容: 電容是開(kāi)關(guān)電源中常用的元件,它與電感一樣也是儲(chǔ)存電能和傳遞電能的元件。但對(duì)頻率的特性卻剛好相反。應(yīng)用上,主要是“吸收”紋波,具平滑電壓波形的作用。實(shí)際上的電容并不是理想的元件。電容器由于有介質(zhì)、接點(diǎn)與引線,形成一個(gè)等效串聯(lián)內(nèi)電阻ESR.這種等效串聯(lián)內(nèi)電阻在開(kāi)關(guān)電源中小信號(hào)控制上,以及輸出紋波抑制的設(shè)計(jì)上,起著不可忽視的作用。另外電容等效電路上有一個(gè)串聯(lián)的電感,它在分析電路器濾波效果時(shí)非常重要。有時(shí)加大電容值并不能使電壓波形平直,就是因?yàn)檫@個(gè)串聯(lián)寄生電感起著副作用。 電容的串聯(lián)電阻與接點(diǎn)和引出線有關(guān),也與電解液有關(guān)。常見(jiàn)鋁電解電容的成分為AL2O3,導(dǎo)電率比空氣的大七倍,為了能提高電容量,把鋁箔表面做成有規(guī)律的凸凹不平狀,使氧化膜表面積加大,加入的電解液可在凸凹面上流動(dòng)。普通的鋁電解電容在高頻脈動(dòng)電流大幅度增加下,高頻阻抗溫度上升較大,成了開(kāi)關(guān)電源長(zhǎng)壽命的瓶頸。 所謂好電容耐反波電流,耐溫升,ESR值小。電容電解液受溫度影響,溫度升高,電阻減小,即電容串聯(lián)電阻減小,則是理想的。 溫度升高,等效串聯(lián)電阻加大,導(dǎo)致電容壽命減短,這是普通鋁電解電容的缺點(diǎn)。為改善這一缺點(diǎn),將電解液覆蓋在氧化膜表面后將 其干燥形成固體式電解質(zhì)電容,即“鉭電容”.

2.器件選擇要點(diǎn)

只如果外接開(kāi)關(guān)管,最好選擇開(kāi)關(guān)三極管或功率MOS 管,注意耐壓和功耗。如果開(kāi)關(guān)頻率很高,電感可選用多線并繞的,以降低趨膚效應(yīng)的影響。續(xù)流二極管一般選恢復(fù)時(shí)間短、正向?qū)妷盒〉男ぬ鼗O管,但要注意耐壓。如果輸出電壓很小(零點(diǎn)幾伏),就必須使用MOS管續(xù)流。輸出濾波電容一般使用高頻電容,可減小輸出紋波同時(shí)降低電容的溫升。在取樣電路的上臂電阻并一個(gè)0.1~1μf電容,可以改善瞬態(tài)響應(yīng)。 電源設(shè)計(jì)的器件選擇需要注意以下幾點(diǎn):

1)選擇設(shè)計(jì)靈活性較大的DC/DC變換器,擴(kuò)大電路設(shè)計(jì)的范圍;

2) 低消耗電流、高效率可延長(zhǎng)電池的使用壽命;

3) 可使用小型的外接元器件,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品小型化;

4)有力的技術(shù)支持工具。

二、選擇最佳DC/DC變換器的要點(diǎn)

最佳的開(kāi)關(guān)式DC/DC變換器是可以用最小的安裝成本滿(mǎn)足系統(tǒng)總體需要的。這可以通過(guò)一組描述開(kāi)關(guān)式DC/DC變換器性能的參數(shù)來(lái)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。

1. 工作效率

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(lái)自外部二極管和調(diào)制器開(kāi)關(guān)。

②無(wú)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(guò)90%),這是因?yàn)殡姾杀玫膿p耗主要來(lái)自電容器的ESR和內(nèi)部開(kāi)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(dá)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。

2. 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(jí)空間(額外的去耦、特殊的地線處理、屏蔽等)。

②無(wú)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(lái)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(fù)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(dú)立的兩個(gè)變換器,如用一個(gè)變換器,就得用具有復(fù)雜拓?fù)浣Y(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(lèi)調(diào)節(jié)器都有SOT形式的封裝,相對(duì)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(gè)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。

3. 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(kāi)關(guān)式DC/DC變換器,通過(guò)頻率調(diào)制進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)可在小負(fù)載電流下使供電電流最小。

②無(wú)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(lái)的靜態(tài)電流大的問(wèn)題,一些電荷泵具有關(guān)閉輸入引腳,以在長(zhǎng)時(shí)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。

4. 最小工作電壓

①電感式DC/DC變換器:電池供電專(zhuān)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(dòng)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(wú)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。

5. 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(kāi)關(guān)輻射噪聲(EMI)的來(lái)源。寬帶PFM電感式DC/DC變換器會(huì)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(wú)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(guò)一個(gè)小電容消除。

6. 集成度

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

②無(wú)電壓調(diào)節(jié)的電荷泵:基本電荷泵,如TC7660,沒(méi)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(shì)。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。

7. 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(bǔ)償引腳,允許根據(jù)應(yīng)用“精細(xì)調(diào)整”輸出的瞬態(tài)響應(yīng)特性。

②無(wú)電壓調(diào)節(jié)的電荷泵:此類(lèi)器件輸出沒(méi)有電壓調(diào)節(jié),它們只簡(jiǎn)單地將輸人電壓變換為負(fù)或刀倍的輸出電壓。困此,輸出電壓會(huì)隨著負(fù)載電流的增加而下降。雖然這對(duì)某些應(yīng)用(如LCD偏置)并不是問(wèn)題,但不適用需要穩(wěn)定的輸出電壓的應(yīng)用場(chǎng)合。

③帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵:它通過(guò)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(kāi)關(guān)級(jí)數(shù),以為后端調(diào)節(jié)器提供足夠的凈空間,這時(shí)就需要增加外部電容,從而會(huì)給尺寸、成本和效率帶來(lái)負(fù)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。

8. 安裝成本

①電感式DC/DC變換器:近年來(lái)采用電感式DC/DC變換器的成本逐漸下降,并且對(duì)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(gè)外部電感、電容和肖特基二極管。二極管、電感,再加上相對(duì)價(jià)格較高的開(kāi)關(guān)變換芯片,其總成本要比電荷泵高。

②無(wú)電壓調(diào)節(jié)的電荷泵:無(wú)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(méi)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(kāi)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(huì)增加所需的安裝空間和降低工作效率。

三、選擇最佳DC/DC變換器的途徑

1. 對(duì)于工作效率這個(gè)方面,最佳DC/DC變換器的選擇是:無(wú)電壓調(diào)節(jié)式電荷泵(在不需要嚴(yán)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)。

2. 對(duì)于安裝尺寸這個(gè)方面,最佳DC/DC變換器的選擇是:無(wú)電壓調(diào)節(jié)或帶電壓調(diào)節(jié)電荷泵。

3. 對(duì)于靜態(tài)電流這個(gè)方面,最佳DC/DC變換器的選擇是:電感式DC/DC變換器,特別是頻率調(diào)制(PFM)開(kāi)關(guān)式。

4.對(duì)于最小工作電壓這個(gè)方面,最佳DC/DC變換器的選擇是:電感式DC/DC變換器。

5. 對(duì)于產(chǎn)生的噪聲這個(gè)方面,最佳DC/DC變換器的選擇是:無(wú)電壓調(diào)節(jié)或帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵。

6.對(duì)于集成度這個(gè)方面,最佳DC/DC變換器的選擇是:電感式DC/DC變換器。

7.對(duì)于輸出調(diào)節(jié)這個(gè)方面,最佳DC/DC變換器的選擇是:帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵。

8.對(duì)于安裝成本這個(gè)方面,最佳DC/DC變換器的選擇是:在不需要嚴(yán)格穩(wěn)壓的場(chǎng)合的最佳選擇為無(wú)電壓調(diào)節(jié)的電荷泵;若為對(duì)輸出電壓穩(wěn)壓有要求的場(chǎng)合,選擇帶電壓調(diào)節(jié)的電荷泵電感式DC/DC變換器的成本大致相當(dāng)。

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