電源設(shè)計(jì)之DC/DC工作原理及芯片詳解

DC/DC電源指直流轉(zhuǎn)換為直流的電源，從這個(gè)定義上看，LDO(低壓差線性穩(wěn)壓器)芯片也應(yīng)該屬于DC/DC電源，但一般只將直流變換到直流，且這種轉(zhuǎn)換是通過開關(guān)方式實(shí)現(xiàn)的電源稱為DC/DC電源。

一、工作原理

要理解DC/DC的工作原理，首先得了解一個(gè)定律和開關(guān)電源的三種基本拓?fù)?不要以為開關(guān)電源的基本拓?fù)浜茈y，你繼續(xù)往下看)。

1、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)，在開關(guān)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(duì)于已工作在穩(wěn)態(tài)的DC/DC功率變換器，有源開關(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關(guān)截止時(shí)加在該電感上的反向伏秒。

是不是覺得有點(diǎn)難理解，接著往下看其公式推導(dǎo)過程。

伏秒平衡方程推算過程：

電感的基本方程為：V(t)=L*dI(t)/dt,即電感兩端的電壓等于電感感值乘以通過電感的電流隨時(shí)間的變化率。

根據(jù)上述方程，可得dI(t)=1/L∫V(t)dt,對(duì)于穩(wěn)態(tài)的一個(gè)功率變換器，其應(yīng)保證在一個(gè)周期內(nèi)電感中的能量充放相等，反映在V-t圖中即表示在一個(gè)周期內(nèi)其面積之和為0，所以得出電感電壓伏秒平衡定律。此處可參考：DC/DC電源詳解第8頁(如果此處還無法理解，可先閱讀下面開關(guān)電源三種基本拓?fù)涞墓ぷ髟?。

擴(kuò)展資料：

1、當(dāng)一個(gè)電感突然加上一個(gè)電壓時(shí)，其中的電流逐漸增加，并且電感量越大，其電流增加越慢;

2、當(dāng)一個(gè)電感上的電流突然中斷，會(huì)在電感兩端產(chǎn)生一個(gè)瞬間高壓，并且電感量越大該電壓越高;

3、電容的基本方程為：I(t)=dV(t)/(C*dt)，當(dāng)一電流流經(jīng)電容時(shí)，電容兩端電壓逐漸增加，并且電容量越大電壓增加越慢;

2、開關(guān)電源三種基本拓?fù)?/p>

2.1、BUCK降壓型

圖1 BUCK型基本拓?fù)浜?jiǎn)化工作原理圖

圖2 電感V-t特性圖

BUCK降壓型基本拓?fù)湓砣鐖D1所示，其電感L1的V-t特性圖如圖2。

當(dāng)PWM驅(qū)動(dòng)MOS管Q1導(dǎo)通時(shí)，忽略MOS管的導(dǎo)通壓降，此時(shí)電感兩端電壓保持不變?yōu)閂in-Vo，根據(jù)電感的基本方程：V(t)=L*dI(t)/dt,電感電流將呈線性上升，此時(shí)電感正向伏秒為：V*Ton=(Vin-Vo)*Ton。

當(dāng)PWM驅(qū)動(dòng)MOS管Q1截至?xí)r，電感電流經(jīng)過續(xù)流二極管D1形成回路(忽略二極管壓降)且電感電流不發(fā)生突變，同樣電感兩端電壓也保持不變?yōu)閂o,方向與(Vin-Vo)相反，電感電流呈線性下降，此時(shí)電感反向伏秒為：V*Toff=Vo*(Ts-Ton)，Ts為PWM波形周期。

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)

2.2、BOOST升壓型

圖3 BOOST型基本拓?fù)浜?jiǎn)化工作原理圖

圖3是BOOST升壓型基本拓?fù)涞暮?jiǎn)化原理圖，其分析方法和BUCK電路分析類似。

當(dāng)PWM驅(qū)動(dòng)MOS管導(dǎo)通時(shí)，此時(shí)電感的正向伏秒為：Vin*Ton;

當(dāng)PWM驅(qū)動(dòng)MOS管截至?xí)r，此時(shí)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)

2.3、BUCK-BOOST極性反轉(zhuǎn)升降壓型(該電路中二極管方向反了)

圖4 BUCK-BOOST型基本拓?fù)浜?jiǎn)化工作原理圖

BUCK-BOOST電路分析方法和上面兩種類型的基本拓?fù)浞治龇椒ㄏ嗤?，?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))

擴(kuò)展資料

1、DC/DC電源芯片主要是通過反饋電壓與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓的的比較，從而調(diào)節(jié)MOS管的驅(qū)動(dòng)波形的占空比，來保證輸出電壓的穩(wěn)定。

2、同步整流技術(shù)

由于二極管導(dǎo)通時(shí)多少會(huì)存在管壓降，因此續(xù)流二極管所消耗的功率將會(huì)成為DC/DC電源主要功耗，從而嚴(yán)重限制了DC/DC電源芯片效率的提高。為解決該問題，以導(dǎo)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(shí)控制開關(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。

圖5 帶同步整流的BUCK電路

二、DC/DC電源調(diào)制方式

DC/DC電源屬于斬波類型，即按照一定的調(diào)制方式，不斷地導(dǎo)通和關(guān)斷高速開關(guān)，通過控制開關(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采用恒定的開關(guān)頻率，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度(占空比)的方法來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電源電壓的輸出。在PWM調(diào)制方式下，開關(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通過調(diào)節(jié)開關(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)，才重新開始工作。

優(yōu)點(diǎn)：功耗較低，輕負(fù)載時(shí)，效率高且無需提供假負(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

接下來我們來看看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，先來看一個(gè)圖。

圖6 DC/DC電源芯片內(nèi)部構(gòu)圖

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大，輸出就會(huì)降低，直到超過下限閾值，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。

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過小會(huì)導(dǎo)致靜態(tài)電流過大，從而導(dǎo)致加大損耗;R2太大會(huì)導(dǎo)致靜態(tài)電流過小，而導(dǎo)致FB引腳的反饋電壓對(duì)噪聲敏感，一般在datasheet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)。在電感選取過程中需要綜合考慮輸出電流、紋波、體積等多個(gè)因素。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和流過電容電流成正比，該電流紋波主要是和開關(guān)管的開關(guān)頻率有關(guān)，基本為開關(guān)頻率的N次諧波，為了減少紋波，讓ESR盡量小。

審核編輯：湯梓紅