电源设计之DC/DC工作原理及芯片详解
发布日期:2022-11-12
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DC/DC电源指直流转换为直流的电源，从这个定义上看，LDO(低压差线性稳压器)芯片也应该属于DC/DC电源，但一般只将直流变换到直流，且这种转换是通过开关方式实现的电源称为DC/DC电源。
一、工作原理
要理解DC/DC的工作原理，首先得了解一个定律和开关电源的三种基本拓扑(不要以为开关电源的基本拓扑很难，你继续往下看)。
1、电感电压伏秒平衡定律
一个功率变换器，当输入、负载和控制均为固定值时的工作状态，在开关电源中，被称为稳态。稳态下，功率变换器中的电感满足电感电压伏秒平衡定律：对于已工作在稳态的DC/DC功率变换器，有源开关导通时加在滤波电感上的正向伏秒一定等于有源开关截止时加在该电感上的反向伏秒。
是不是觉得有点难理解，接着往下看其公式推导过程。
伏秒平衡方程推算过程：
电感的基本方程为：V(t)=L*dI(t)/dt,即电感两端的电压等于电感感值乘以通过电感的电流随时间的变化率。
根据上述方程，可得dI(t)=1/L∫V(t)dt,对于稳态的一个功率变换器，其应保证在一个周期内电感中的能量充放相等，反映在V-t图中即表示在一个周期内其面积之和为0，所以得出电感电压伏秒平衡定律。此处可参考：DC/DC电源详解第8页(如果此处还无法理解，可先阅读下面开关电源三种基本拓扑的工作原理)。
扩展资料：
1、当一个电感突然加上一个电压时，其中的电流逐渐增加，并且电感量越大，其电流增加越慢；
2、当一个电感上的电流突然中断，会在电感两端产生一个瞬间高压，并且电感量越大该电压越高；
3、电容的基本方程为：I(t)=dV(t)/(C*dt)，当一电流流经电容时，电容两端电压逐渐增加，并且电容量越大电压增加越慢；
2、开关电源三种基本拓扑
2.1、BUCK降压型
图1 BUCK型基本拓扑简化工作原理图
图2 电感V-t特性图
BUCK降压型基本拓扑原理如图1所示，其电感L1的V-t特性图如图2。
当PWM驱动MOS管Q1导通时，忽略MOS管的导通压降，此时电感两端电压保持不变为Vin-Vo，根据电感的基本方程：V(t)=L*dI(t)/dt,电感电流将呈线性上升，此时电感正向伏秒为：V*Ton=(Vin-Vo)*Ton。
当PWM驱动MOS管Q1截至时，电感电流经过续流二极管D1形成回路(忽略二极管压降)且电感电流不发生突变，同样电感两端电压也保持不变为Vo,方向与(Vin-Vo)相反，电感电流呈线性下降，此时电感反向伏秒为：V*Toff=Vo*(Ts-Ton)，Ts为PWM波形周期。
根据电感电压伏秒平衡定律可得：(Vin-Vo)*Ton =Vo*(Ts-Ton)
即Vo=D*Vin (D为占空比)
2.2、BOOST升压型
图3 BOOST型基本拓扑简化工作原理图
图3是BOOST升压型基本拓扑的简化原理图，其分析方法和BUCK电路分析类似。
当PWM驱动MOS管导通时，此时电感的正向伏秒为：Vin*Ton;
当PWM驱动MOS管截至时，此时电感的反向伏秒为：(Vo- Vin)*(Ts-Ton)。
根据电感电压伏秒平衡定律可得：Vin*Ton =(Vo- Vin)*(Ts-Ton)
即Vo=Vin/(1-D)
2.3、BUCK-BOOST极性反转升降压型(该电路中二极管方向反了)
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.图4 BUCK-BOOST型基本拓扑简化工作原理图
BUCK-BOOST电路分析方法和上面两种类型的基本拓扑分析方法相同，当MOS管导通时，电感的正向伏秒为：Vin*Ton；当MOS管截止时，电感的反向伏秒为：-Vo*(Ts-Ton)。
根据电感电压伏秒平衡定律可得：Vin*Ton =-Vo*(Ts-Ton)
即Vo=-Vin*(D/(1-D))
扩展资料
1、DC/DC电源芯片主要是通过反馈电压与内部基准电压的的比较，从而调节MOS管的驱动波形的占空比，来保证输出电压的稳定。
2、同步整流技术
由于二极管导通时多少会存在管压降，因此续流二极管所消耗的功率将会成为DC/DC电源主要功耗，从而严重限制了DC/DC电源芯片效率的提高。为解决该问题，以导通电阻极小的MOS管取代续流二极管，然后通过控制器同时控制开关管和同步整流管，要保证两个MOS管不能同时导通，负责将会发生短路。
接下来我们来看看DC/DC电源芯片内部的单元模块，并且给大家看看基本拓扑与电源芯片的联系，先来看一个图。
图5 带同步整流的BUCK电路
二、DC/DC电源调制方式
DC/DC电源属于斩波类型，即按照一定的调制方式，不断地导通和关断高速开关，通过控制开关通断的占空比，可以实现直流电源电平的转换。DC/DC电源的调制方式有三种：PWM方式、PFM方式、PWM与PFM的混合方式。
1.PWM(脉冲宽度调制)
PWM采用恒定的开关频率，通过调节脉冲宽度(占空比)的方法来实现稳定电源电压的输出。在PWM调制方式下，开关频率恒定，即不存在长时间被关断的情况。
优点：噪声低、效率高，对负载的变化响应速度快，且支持连续供电的工作模式。
缺点：轻负载时效率较低，且电路工作不稳定，在设计上需要提供假负载。
2.PFM(脉冲频率调制)
PFM通过调节开关频率以实现稳定的电源电压的输出。PFM工作时，在输出电压超过上阈值电压后，其输出将关断，直到输出电压跌落到低于下阈值电压时，才重新开始工作。
优点：功耗较低，轻负载时，效率高且无需提供假负载。
缺点：对负载变化响应较慢，输出电压的噪声和纹波相对较大，不适合工作于连续供电方式。
三、DC/DC芯片的内部构造
接下来我们来看看DC/DC电源芯片内部的单元模块，并且给大家看看基本拓扑与电源芯片的联系，先来看一个图。
图6 DC/DC电源芯片内部构图
1、误差放大器：误差放大器的作用就是将反馈电压(FB引脚电压)与基准电压的差值进行放大，然后再用该信号去控制PWM输出信号的占空比。
2、温度保护：当温度高于限定值，芯片停止工作。
3、限流保护：如果电流比较器的电阻上的电流过大，输出就会降低，直到超过下限阈值，电源芯片就会出现打嗝现象。这个模式可以在输出发生短路的情况下很好地保护芯片，保护稳压管，一旦过流现象消除，打嗝也会消除。
4、软启动电路：用于电源启动时，减小浪涌电流，使输出电压缓慢上升，减小对输入电源的影响。
四、DC/DC电路的硬件设计参数选择标准
1.设置输出电压：先选择合适的R2,R2过小会导致静态电流过大，从而导致加大损耗；R2太大会导致静态电流过小，而导致FB引脚的反馈电压对噪声敏感，一般在datasheet中有推荐值范围参考。选定R2，根据输出电压计算R1的值，R1=((Vout-Vref)/Vref)*R2。
2.电感：电感的选择要满足直到输出最小规定电流时，电感电流也保持连续。在电感选取过程中需要综合考虑输出电流、纹波、体积等多个因素。较大的电感将导致较小的纹波电流，从而导致较低的纹波电压，但是电感越大，将具有更大的物理占用面积，更高的串联电阻和更低的饱和电流。一般在芯片的datasheet中会有相应的计算公式。
3.输出电容：输出电容的选择主要是根据设计中所需要的输出纹波的要求来进行选取。
电容产生的纹波:相对很小，可以忽略不计;
电容等效电感产生的纹波:在300KHz~500KHz以下，可以忽略不计；
电容等效电阻产生的纹波：与ESR和流过电容电流成正比，该电流纹波主要是和开关管的开关频率有关，基本为开关频率的N次谐波，为了减少纹波，让ESR尽量小。
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