DC/DC電源芯片詳解

開關(guān)電源就是用通過電路操控開關(guān)管進行高速的道通與截止，將直流電轉(zhuǎn)化為高頻率的交流電提供應變壓器進行變壓，然后發(fā)生所需求的一組或多組電壓，但是作為一個普通的用戶，有些電子類的東西你就真的懂了？

隨著人們在開關(guān)電源芯片技術(shù)領(lǐng)域是邊開發(fā)相關(guān)電力電子器件，邊開發(fā)開關(guān)變頻技術(shù)，兩者相互促進推動著開關(guān)電源每年以超過兩位數(shù)字的增長，率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。

開關(guān)電源芯片可分為AC/DC電源芯片和DC/DC電源芯片兩大類，DC/DC變換器現(xiàn)已實現(xiàn)模塊化，且設計技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已成熟和標準化，并已得到用戶的認可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進程中，遇到較為復雜的技術(shù)和工藝制造問題。

AC/DC電源管理芯片變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負載的稱為“整流”，功率流由負載返回電源的稱為“有源逆變”。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電，因必須經(jīng)整流、濾波，因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的，同時因遇到安全標準（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、、FCC、CSA），交流輸入側(cè)必須加EMC濾波及使用符合安全標準的元件，這樣就限制AC/DC電源體積的小型化。

DC/DC電源芯片詳解

DC/DC電源指直流轉(zhuǎn)換為直流的電源，從這個定義上看，LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）芯片也應該屬于DC/DC電源，但一般只將直流變換到直流，且這種轉(zhuǎn)換方式是通過開關(guān)方式實現(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，首先得了解一個定律和開關(guān)電源的三種基本拓撲（不要以為開關(guān)電源的基本拓撲很難，你繼續(xù)往下看）。

1.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)導通時加在濾波電感上的正向伏秒一定等于有源開關(guān)截至時加在該電感上的反向伏秒。

是不是覺得有點難理解，接著往下看原理圖分析。

2.開關(guān)電源三種基本拓撲

2.1 BUCK降壓型

先來看一下原理圖

圖1

當PWM驅(qū)動高電平使得NMOS管Q1導通，忽略MOS管的導通壓降，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Q1截至時，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）

2.2 BOOST升壓型

圖2

和BUCK電路類似的分析方法，當MOS管導通時，電感的正向伏秒為：Vin*Ton；當MOS管截至時，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）

首先還是來看電路圖

圖3

同樣，和BUCK電路分析方法相同，當MOS管導通時，電感的正向伏秒為：Vin*Ton；當MOS管截止時，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））

所以DC/DC芯片主要是通過反饋電壓與內(nèi)部基準電壓的的比較，從而調(diào)節(jié)MOS管驅(qū)動波形的占空比，來保證輸出電壓的穩(wěn)定。

3.同步整流技術(shù)

由于二極管導通時至少存在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管不能同時導通，負責將會發(fā)生短路。

圖4

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。

圖5

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）與基準電壓的差值進行放大，然后再用該信號去控制PWM輸出信號的占空比。

2.溫度保護：當溫度高于限定值，芯片停止工作。

3.限流保護：如果電流比較器的電阻上的電流過大，輸出就會降低，直到超過下限閾值，電源芯片就會出現(xiàn)打嗝現(xiàn)象。這個模式可以在輸出發(fā)生短路的情況下很好地保護芯片，保護穩(wěn)壓管，一旦過流現(xiàn)象消除，打嗝也會消除。

4.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電路的硬件設計參數(shù)選擇標準

1.設置輸出電壓：先選擇合適的R2，R2過小會導致靜態(tài)電流過大，從而導致加大損耗；R2太大會導致靜態(tài)電流過小，而導致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。

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。較大的電感將導致較小的紋波電流，從而導致較低的紋波電壓，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中會有相應的計算公式。

3.輸出電容：輸出電容的選擇主要是根據(jù)設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。