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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)MOS管導(dǎo)通時,電感的正向伏秒為:Vin*Ton;當(dāng)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(yán)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(zhǔn)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(zhǔn)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)
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。