DC/DC電源晶元詳解

DC/DC電源指直流轉換為直流的電源，從這個定義上看，LDO(低壓差線性穩壓器)晶元也應該屬於DC/DC電源，但一般只將直流變換到直流，且這種轉換方式是通過開關方式實現的電源稱為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電源的三種基本拓撲(不要以為開關電源的基本拓撲很難，你繼續往下看)。

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，在開關電源中，被稱為穩態。穩態下，功率變換器中的電感滿足電感電壓伏秒平衡定律：對於已工作在穩態的DC/DC功率變換器，有源開關導通時加在濾波電感上的正向伏秒一定等於有源開關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*T_on=(V_in-V_o)*T_on

當PWM驅動低電平使得NMOS管Q1截至時，電感電流不能突變，經過續流二極體形成迴路(忽略二極體壓降)，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)

根據電感電壓伏秒平衡定律可得：(V_in-V_o)*T_on=V_o*(T_s-T_on)

即 V_o=D*V_in (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：V_in*T_on；當MOS管截至時，電感的反向伏秒為：(V_o- V_in)*(T_s-T_on)

根據電感電壓伏秒平衡定律可得：V_in*T_on=(V_o- V_in)*(T_s-T_on)

即 V_o=V_in/(1-D)

2.3 BUCK-BOOST極性反轉升降壓型(該電路中二極體方向反了)

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：V_in*T_on；當MOS管截止時，電感的反向伏秒為：-V_o*(T_s-T_on)

根據電感電壓伏秒平衡定律可得：V_in*T_on=-V_o*(T_s-T_on)

即 V_o=-V_in*(D/(1-D))

所以DC/DC晶元主要是通過反饋電壓與內部基準電壓的的比較，從而調節MOS管驅動波形的占空比，來保證輸出電壓的穩定。

3.同步整流技術

由於二極體導通時至少存在0.3V的壓降，因此續流二極體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管取代續流二極體。然後通過控制器同時控制開關管和同步整流管，要保證兩個MOS管不能同時導通，負責將會發生短路。

圖4

二、DC/DC電源調製方式

DC/DC電源屬於斬波類型，即按照一定的調製方式，不斷地導通和關斷高速開關，通過控制開關通斷的占空比，可以實現直流電源電平的轉換。DC/DC電源的調製方式有三種：PWM方式、PFM方式、PWM與PFM的混合方式。

1.PWM(脈衝寬度調製)

PWM採用恆定的開關頻率，通過調節脈衝寬度(占空比)的方法來實現穩定電源電壓的輸出。在PWM調製方式下，開關頻率恆定，即不存在長時間被關斷的情況。

優點：雜訊低、效率高，對負載的變化響應速度快，且支持連續供電的工作模式。

缺點：輕負載時效率較低，且電路工作不穩定，在設計上需要提供假負載。

2.PFM(脈衝頻率調製)

PFM通過調節開關頻率以實現穩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後，其輸出將關斷，直到輸出電壓跌落到低於下閾值電壓時，才重新開始工作。

優點：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，輸出電壓的雜訊和紋波相對較大，不適合工作於連續供電方式。

三、DC/DC晶元的內部構造

接下來我們來看看DC/DC電源晶元內部的單元模塊，並且給大家看看基本拓撲與電源晶元的聯繫，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，然後再用該信號去控制PWM輸出信號的占空比。

2.溫度保護：當溫度高於限定值，晶元停止工作。

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，電源晶元就會出現打嗝現象。這個模式可以在輸出發生短路的情況下很好地保護晶元，保護穩壓管，一旦過流現象消除，打嗝也會消除。

4.軟啟動電路：用於電源啟動時，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電路的硬體設計參數選擇標準

1.設置輸出電壓：先選擇合適的R2,R2過小會導致靜態電流過大，從而導致加大損耗；R2太大會導致靜態電流過小，而導致FB引腳的反饋電壓對雜訊敏感，一般在數據手冊中有推薦值範圍參考。選定R2，根據輸出電壓計算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定電流時，電感電流也保持連續。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，將具有更大的物理佔用面積，更高的串聯電阻和更低的飽和電流。一般在晶元的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設計中所需要的輸出紋波的要求來進行選取。電容產生的紋波:相對很小，可以忽略不計;電容等效電感產生的紋波:在300KHz~500KHz以下，可以忽略不計；電容等效電阻產生的紋波：與ESR和流過電容電流成正比，該電流紋波主要是和開關管的開關頻率有關，基本為開關頻率的n次諧波，為了減少紋波，讓ESR盡量小。

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