Buck、Boost電路原理詳解 DC/DC電源的基本拓撲和調(diào)制方式

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，按理來說，LDO也是DCDC電源，但行業(yè)內(nèi)只認為以開關(guān)形式實現(xiàn)的電源為DC/DC電源。

一，DC/DC基本拓撲

Buck、Boost型

電感電壓伏秒平衡定律

一個功率變換器，當輸入、負載和控制均為固定值時的工作狀態(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)通時加在功率電感上的正向伏秒一定等于有源開關(guān)截至?xí)r加在該電感上的反向伏秒。

1. BUCK降壓型

先來看一下原理圖

BUCK電路原理和信號轉(zhuǎn)變過程

當PWM驅(qū)動高電平使得NMOS管S1導(dǎo)通，忽略MOS管的導(dǎo)通壓降，電感電流呈線性上升，此時電感正向伏秒為：V*Ton=(Vin-Vo)*Ton

當PWM驅(qū)動低電平使得NMOS管S1截至?xí)r，電感電流不能突變，經(jīng)過續(xù)流二極管形成回路(忽略二極管壓降)，給輸出負載供電，此時電感電流下降，此時電感反向伏秒為：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電路類似的分析方法，當MOS管導(dǎo)通時，電感的正向伏秒為：Vin*Ton；當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)

matlab仿真圖：

matlab仿真圖

仿真Vout升壓過程

3.同步整流技術(shù)

由于二極管導(dǎo)通時至少存在0.3V的壓降，因此續(xù)流二極管D所消耗的功率將會稱為DC/DC電源主要功耗，從而嚴重限制了效率的提高。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控制開關(guān)管和同步整流管，要保證兩個MOS管不能同時導(dǎo)通，負責(zé)將會發(fā)生短路。

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，即不存在長時間被關(guān)斷的情況。

優(yōu)點：噪聲低、效率高，對負載的變化響應(yīng)速度快，且支持連續(xù)供電的工作模式。

缺點：輕負載時效率較低，且電路工作不穩(wěn)定，在設(shè)計上需要提供假負載。

2.PFM(脈沖頻率調(diào)制)

PFM通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率以實現(xiàn)穩(wěn)定的電源電壓的輸出。PFM工作時，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，才重新開始工作。

優(yōu)點：功耗較低，輕負載時，效率高且無需提供假負載。

缺點：對負載變化響應(yīng)較慢，輸出電壓的噪聲和紋波相對較大，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撲與電源芯片的聯(lián)系，先來看一個圖。

一款電源背光IC的內(nèi)部原理框圖

1.Vref&Error Amp基準電壓與誤差放大器

誤差放大器的作用就是將反饋電壓(FB引腳電壓)與基準電壓（200mv）的差值進行放大，然后再用該信號去控制PWM輸出信號的占空比。

2.Thermal Shutdown 溫度保護：當溫度高于限定值，芯片停止工作。

3.soft start軟啟動電路：用于電源啟動時，減小浪涌電流，使輸出電壓緩慢上升，減小對輸入電源的影響。

四、DC/DC電路的硬件設(shè)計參數(shù)選擇標準

1.設(shè)置輸出電壓：先選擇合適的R2,R2過小會導(dǎo)致靜態(tài)電流過大，從而導(dǎo)致加大損耗；R2太大會導(dǎo)致靜態(tài)電流過小，而導(dǎo)致FB引腳的反饋電壓對噪聲敏感，一般在數(shù)據(jù)手冊中有推薦值范圍參考。選定R2，根據(jù)輸出電壓計算R1的值，R1=((Vout-Vref)/Vref)*R2。電壓選定以后，開關(guān)電源會自動調(diào)節(jié)占比總，取得我們想要的電壓。

2.電感：電感的選擇要滿足直到輸出最小規(guī)定電流時，電感電流也保持連續(xù)。在電感選取過程中需要綜合輸出電流、紋波、體積等多個因素進行考慮。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，開關(guān)電源PWM信號的頻率就越高，一般開關(guān)電源很少有好過10MHz的開關(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)計中所需要的輸出紋波的要求來進行選取。電容產(chǎn)生的紋波:相對很小，可以忽略不計;電容等效電感產(chǎn)生的紋波:在300KHz~500KHz以下，可以忽略不計；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。需要在開關(guān)電源輸出端增加pF級電容，減少百兆級噪聲的干擾。

審核編輯：湯梓紅