DC/DC转换器
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。
分类
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
工作原理
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
第一阶段
VC1+-VC1-=VC2+-VC2-=VIN/2
第二阶段
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
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;
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。
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
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。
由公式可以得出:
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。
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
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
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