DC/DC转换器

DC/DC 转换器是开关电源晶片，指利用电容、电感的储能的特性，通过可控开关（MOSFET等）进行高频开关的动作，将输入的电能储存在电容（感）里，当开关断开时，电能再释放给负载，提供能量。其输出的功率或电压的能力与占空比（由开关导通时间与整个开关的周期的比值）有关。开关电源可以用于升压和降压。

基本 介绍

中文名：DC/DC转换器属于：开关电源晶片种类：电荷泵；电感储能DC-DC转换器所属学科：电气工程

基本信息

DC/DC是开关电源晶片。

开关电源，指利用电容、电感的储能的特性，通过可控开关（MOSFET等）进行高频开关的动作，将输入的电能储存在电容（感）里，当开关断开时，电能再释放给负载，提供能量。其输出的功率或电压的能力与占空比（由开关导通时间与整个开关的周期的比值）有关。开关电源可以用于升压和降压。

我们常用的DC-DC 产品有两种。一种为电荷泵（Charge Pump），一种为电感储能DC-DC转换器。本文详细讲解了这两种DC/DC产品的相关知识。

分类

DC/DC 转换器为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器。DC/DC 转换器分为三类：升压型DC/DC 转换器、降压型DC/DC 转换器以及升降压型DC/DC 转换器。

原理

输出电压通过分压电阻与基準电压作比较，从而形成一个反馈。当输出电压减小并低于基準电压，比较器输出发生翻转并触发振荡电路开始工作。振荡电路输出一个固定时间的脉冲，用于控制MOS管的导通。反之则MOS管将被截止。其中导通由振荡器控制，而截止时间取决于负载。按这样的方法，即可控制输出电压。

电荷泵

电荷泵为容性储能DC-DC产品，可以进行升压，也可以作为降压使用，还可以进行反压输出。电荷泵消除了电感器和变压器所带有的磁场和电磁干扰。

工作原理

电荷泵是通过外部一个快速充电电容（Flying Capacitor），内部以一定的频率进行开关，对电容进行充电，并且和输入电压一起，进行升压（或者降压）转换。最后以恆压输出。

在晶片内部有负反馈电路，以保证输出电压的稳定，如上图Vout ，经R1,R2分压得到电压V2，与基準电压VREF做比较，经过误差放大器A，来控制充电电容的充电时间和充电电压，从而达到稳定值。

电荷泵可以依据电池电压输入不断改变其输出电压。例如，它在1.5X或1X的模式下都可以运行。当电池的输入电压较低时，电荷泵可以产生一个相当于输入电压的1.5倍的输出电压。而当电池的电压较高时，电荷泵则在1X模式下运行，此时负载电荷泵仅仅是将输入电压传输到负载中。这样就在输入电压较高的时候降低了输入电流和功率损耗。

倍压模式

以1.5x mode为例讲解：电压转换分两个阶段完成。

第一阶段

在第一阶段， C1和C2 串联。假设C1=C2，则电容充电直到电容电压等于输入电压的一半

VC1+-VC1-=VC2+-VC2-=VIN/2

第二阶段

在第二阶段，C1和C2并联，连线在VIN和VOUT 之间。

VOUT=VIN+VIN/2=1.5VIN

效率

电荷泵的效率是根据电荷泵的升压模式，输入电压和输出电压所决定，如果是以2倍压模式进行升压，那幺它的效率为Vout/2Vin。输入电压越小，效率越高。

电荷泵套用

在我们的设计中，电荷泵经常被用作白光LED驱动，一般在手机中套用于并联LCD背光碟机动晶片。而串联背光碟机动晶片则应选择电感式的DC/DC，因为它对电压要求较高。

电荷泵要点

选用电荷泵时考虑以下几个要素：

· 转换效率要高

· 静态电流要小，可以更省电；

· 输入电压要低，儘可能利用电池的潜能；

· 噪音要小，对手机的整体电路无干扰；

· 功能集成度要高，提高单位面积的使用效率，使手机设计的更小巧；

· 足够的输出调整能力，电荷泵不会因工作在满负荷状态而发烫；

· 封装尺寸小是手持产品普遍要求；成本低，包括周边电路少占PCB板面积小，走线少而简单；

· 具有关闭控制端，可在长时间待机状态下关闭电荷泵，使供电电流消耗近乎为0。

电感式

它是通过电感不断的储能/放电，最后达到稳定电压/电流输出的转换器。根据输出电压与输入电压的高低比较，可以分为boost（输出电压远高于输入电压）和buck（输出电压低于输入电压）。它们的拓扑结构不同。

Boost一般用于lcd串联背光碟机动以及oled驱动，一般使用得输出电压在十几伏。

Buck 用于多媒体协处理器的核电压。

工作原理

上图降压转换器最基本的电路：是利用MOSFET开关闭合时在电感器中储能，并产生电流。当开关断开时，贮存的电感器能量通过二极体输出给负载。输出电压值与占空比（开关开启时间与整个开关周期之间的比）有关。

整流二极体

该二极体必须具有与输出电压相等或更大的反向额定电压。其平均额定电流必须比所期望的最大负载电流大得多。其正向电压降必须很低，以避免二极体导通时有过大的损耗。此外，因为MOSFET工作于高频开关模式，所以需要二极体具有从导通状态到非导通状态时，很快恢复。反应速度越快，DC/DC的效率越高。

肖特基二极体(而非传统的超快速二极体)具有更低的正向电压降和极佳的反向恢复特性。

同步整流技术

同步整流是採用通态电阻极低的专用功率MOSFET，来取代整流二极体以降低整流损耗的一项新技术。它能大大提高DC/DC变换器的效率。功率MOSFET属于电压控制型器件，它在导通时的伏安特性呈线性关係。用功率MOSFET做整流器时，要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能，故称之为同步整流。

当输出电压降低时，二极体的正向电压的影响很重要，它将降低转换器的效率。物理特性的极限使二极体的正向电压降难以降低到0.3V以下。相反，可以通过加大硅片的尺寸或并行连线分离器件来降低MOSFET的导通电阻RDS(ON)。因此，在给定的电流下，使用一个MOSFET来替代二极体可以获得比二极体小很多的电压降。

在同步降压转换器中，通过用两个低端的MOSFET来替换肖特基二极体可以提高效率（图1b）。这两个MOSFET必须以互补的模式驱动，在它们的导通间隙之间有一个很小的死区时间（dead time），以避免同时导通。同步FET工作在第三象限，因为电流从源极流到漏极。

电感器的选择

随着开关的打开和闭合，升压电感器会经历电流纹波。一般建议纹波电流应低于平均电感电流的20%。电感过大将要求使用大得多的电感器，而电感太小将引起更大的开关电流，特别在输出电容器中，而这又要求更大的电容器。

电感值的选择取决于期望的纹波电流。如等式1所示，较高的VIN或VOUT 也会增加纹波电流。电感器当然必须能够在不造成磁芯饱和(意味着电感损失)情况下处理峰值开关电流。

由公式可以得出：

（1）开关频率越高，所需的电感值就可以减小；

（2）电感值增大，可以降低纹波电流和磁芯磁滞损耗。但电感值的增大，电感尺寸也相应的增大，电流变化速度也减慢。

为了避免电感饱和，电感的额定电流值应该是转换器最大输出电流值与电感纹波电流之和。

电感的直流电阻(RDC)，取决于所採用的材料或贴片电感器的构造类型，在室温条件下通过简单的电阻测量即可获得。RDC的大小直接影响线圈的温度上升。因此，应当避免长时间超过电流额定值。

线圈的总耗损包括RDC中的耗损和下列与频率相关联的耗损分量：磁芯材料损耗(磁滞损耗、涡流损耗)；趋肤效应造成的导体中的其他耗损(高频电流位移)；相邻绕组的磁场损耗(邻近效应)；辐射损耗。

将上述所有耗损分量组合在一起构成串联耗损电阻(Rs)。耗损电阻主要用于定义电感器的品质。然而，我们无法用数学方法确定Rs，一般採用阻抗分析仪在整个频率範围内对电感器进行测量。

电感线圈电抗(XL)与总电阻(Rs)之比称为品质因素Q，参见公式(2)。品质因素被定义为电感器的品质参数。损耗越高，电感器作为储能元件的品质就越低。

品质—频率图可以帮助选择针对特定套用的最佳电感器结构。如测量结果图2所示，可以将损耗最低(Q值最高)的工作範围定义为一直延伸到品质拐点。如果在更高的频率使用电感器，损耗会剧增(Q降低)。

良好设计的电感器效率降低微乎其微。不同的磁芯材料和形状可以相应改变电感器的大小/电流和价格/电流关係。採用铁氧体材料的禁止电感器尺寸较小，而且不辐射太多能量。选择何种电感器往往取决于价格与尺寸要求以及相应的辐射场/EMI要求。

输入电容

因为buck有跳跃的输入电流，需要低ESR的输入电容，实现最好的输入电压滤波。输入电容值必须足够大，来稳定重负载时的输入电压。如果用陶瓷输出电容，电容RMS纹波电容範围应该满足套用需求。

陶瓷电容具有低ESR值，表现出良好的特性。并且与钽电容相比，陶瓷电容对瞬时电压不敏感。

输出电容

输出电容器的有效串联电阻(ESR)和电感器值会直接影响输出纹波电压。利用电感器纹波电流((IL)和输出电容器的ESR可以简单地估测输出纹波电压。

输出电压纹波是由输出电容的ESR引起的电压值，和由输出电容沖放电引起的电压纹波之和

有些厂家的DC/DC产品的内部由补偿环路，以实现最佳的瞬态回响和环路稳定性。当然，内部补偿能够理想地支持一系列工作条件，而且能够敏感地回响输出电容器参数变化。

拓扑结构

如上图，BOOST 与 BUCK电路结构不一样, Boost 电路是电感在输入电源与升压整流管之间, 开关管接电源地. BUCK 是电感在开关管与出电源之间,续流二级管反向接开关管与电源地.

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