DC/DC轉(zhuǎn)換器

輸出電壓通過(guò)分壓電阻與基準(zhǔn)電壓作比較，從而形成一個(gè)反饋。當(dāng)輸出電壓減小并低于基準(zhǔn)電壓，比較器輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)并觸發(fā)振蕩電路開(kāi)始工作。振蕩電路輸出一個(gè)固定時(shí)間的脈沖，用于控制MOS管的導(dǎo)通。反之則MOS管將被截止。其中導(dǎo)通由振蕩器控制，而截止時(shí)間取決于負(fù)載。按這樣的方法，即可控制輸出電壓。

電荷泵為容性儲(chǔ)能DC-DC產(chǎn)品，可以進(jìn)行升壓，也可以作為降壓使用，還可以進(jìn)行反壓輸出。電荷泵消除了電感器和變壓器所帶有的磁場(chǎng)和電磁干擾。

電荷泵是通過(guò)外部一個(gè)快速充電電容(Flying Capacitor)，內(nèi)部以一定的頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)，對(duì)電容進(jìn)行充電，并且和輸入電壓一起，進(jìn)行升壓(或者降壓)轉(zhuǎn)換。最后以恒壓輸出。

在芯片內(nèi)部有負(fù)反饋電路，以保證輸出電壓的穩(wěn)定，如上圖Vout ，經(jīng)R1,R2分壓得到電壓V2，與基準(zhǔn)電壓VREF做比較，經(jīng)過(guò)誤差放大器A，來(lái)控制充電電容的充電時(shí)間和充電電壓，從而達(dá)到穩(wěn)定值。

電荷泵可以依據(jù)電池電壓輸入不斷改變其輸出電壓。例如，它在1.5X或1X的模式下都可以運(yùn)行。當(dāng)電池的輸入電壓較低時(shí)，電荷泵可以產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)于輸入電壓的1.5倍的輸出電壓。而當(dāng)電池的電壓較高時(shí)，電荷泵則在1X模式下運(yùn)行，此時(shí)負(fù)載電荷泵僅僅是將輸入電壓傳輸?shù)截?fù)載中。這樣就在輸入電壓較高的時(shí)候降低了輸入電流和功率損耗。

以1.5x mode為例講解:電壓轉(zhuǎn)換分兩個(gè)階段完成。

第一階段

在第一階段， C1和C2串聯(lián)。假設(shè)C1=C2，則電容充電直到電容電壓等于輸入電壓的一半

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

第二階段

在第二階段，C1和C2并聯(lián)，連接在VIN和VOUT之間。

VOUT=VIN+VIN/2=1.5VIN

電荷泵的效率是根據(jù)電荷泵的升壓模式，輸入電壓和輸出電壓所決定，如果是以2倍壓模式進(jìn)行升壓，那么它的效率為Vout/2Vin。輸入電壓越小，效率越高。

在我們的設(shè)計(jì)中，電荷泵經(jīng)常被用作白光LED驅(qū)動(dòng)，一般在手機(jī)中應(yīng)用于并聯(lián)LCD背光驅(qū)動(dòng)芯片。而串聯(lián)背光驅(qū)動(dòng)芯片則應(yīng)選擇電感式的DC/DC，因?yàn)樗鼘?duì)電壓要求較高。

選用電荷泵時(shí)考慮以下幾個(gè)要素:

· 轉(zhuǎn)換效率要高

· 靜態(tài)電流要小，可以更省電;

· 輸入電壓要低，盡可能利用電池的潛能;

· 噪音要小，對(duì)手機(jī)的整體電路無(wú)干擾;

· 功能集成度要高，提高單位面積的使用效率，使手機(jī)設(shè)計(jì)的更小巧;

· 足夠的輸出調(diào)整能力，電荷泵不會(huì)因工作在滿負(fù)荷狀態(tài)而發(fā)燙;

· 封裝尺寸小是手持產(chǎn)品普遍要求;成本低，包括周邊電路少占PCB板面積小，走線少而簡(jiǎn)單;

· 具有關(guān)閉控制端，可在長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)狀態(tài)下關(guān)閉電荷泵，使供電電流消耗近乎為0。

DC/DC是開(kāi)關(guān)電源芯片。

開(kāi)關(guān)電源，指利用電容、電感的儲(chǔ)能的特性，通過(guò)可控開(kāi)關(guān)(MOSFET等)進(jìn)行高頻開(kāi)關(guān)的動(dòng)作，將輸入的電能儲(chǔ)存在電容(感)里，當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電能再釋放給負(fù)載，提供能量。其輸出的功率或電壓的能力與占空比(由開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間與整個(gè)開(kāi)關(guān)的周期的比值)有關(guān)。開(kāi)關(guān)電源可以用于升壓和降壓。

我們常用的DC-DC產(chǎn)品有兩種。一種為電荷泵(Charge Pump)，一種為電感儲(chǔ)能DC-DC轉(zhuǎn)換器。本文詳細(xì)講解了這兩種DC/DC產(chǎn)品的相關(guān)知識(shí)。

DC/DC 轉(zhuǎn)換器為轉(zhuǎn)變輸入電壓后有效輸出固定電壓的電壓轉(zhuǎn)換器。DC/DC 轉(zhuǎn)換器分為三類(lèi):升壓型DC/DC 轉(zhuǎn)換器、降壓型DC/DC 轉(zhuǎn)換器以及升降壓型DC/DC 轉(zhuǎn)換器。

它是通過(guò)電感不斷的儲(chǔ)能/放電，最后達(dá)到穩(wěn)定電壓/電流輸出的轉(zhuǎn)換器。根據(jù)輸出電壓與輸入電壓的高低比較，可以分為boost(輸出電壓遠(yuǎn)高于輸入電壓)和buck(輸出電壓低于輸入電壓)。它們的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同。

Boost一般用于lcd串聯(lián)背光驅(qū)動(dòng)以及oled驅(qū)動(dòng)，一般使用得輸出電壓在十幾伏。

Buck 用于多媒體協(xié)處理器的核電壓。

上圖降壓轉(zhuǎn)換器最基本的電路:是利用MOSFET開(kāi)關(guān)閉合時(shí)在電感器中儲(chǔ)能，并產(chǎn)生電流。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，貯存的電感器能量通過(guò)二極管輸出給負(fù)載。 輸出電壓值與占空比(開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)間與整個(gè)開(kāi)關(guān)周期之間的比 )有關(guān)。

該二極管必須具有與輸出電壓相等或更大的反向額定電壓。其平均額定電流必須比所期望的最大負(fù)載電流大得多。其正向電壓降必須很低，以避免二極管導(dǎo)通時(shí)有過(guò)大的損耗。此外，因?yàn)镸OSFET工作于高頻開(kāi)關(guān)模式，所以需要二極管具有從導(dǎo)通狀態(tài)到非導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，很快恢復(fù)。反應(yīng)速度越快，DC/DC的效率越高。

肖特基二極管(而非傳統(tǒng)的超快速二極管)具有更低的正向電壓降和極佳的反向恢復(fù)特性。

同步整流是采用通態(tài)電阻極低的專(zhuān)用功率MOSFET，來(lái)取代整流二極管以降低整流損耗的一項(xiàng)新技術(shù)。它能大大提高DC/DC變換器的效率。功率MOSFET屬于電壓控制型器件，它在導(dǎo)通時(shí)的伏安特性呈線性關(guān)系。用功率MOSFET做整流器時(shí)，要求柵極電壓必須與被整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能，故稱(chēng)之為同步整流。

當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，二極管的正向電壓的影響很重要，它將降低轉(zhuǎn)換器的效率。物理特性的極限使二極管的正向電壓降難以降低到0.3V以下。相反，可以通過(guò)加大硅片的尺寸或并行連接分離器件來(lái)降低MOSFET的導(dǎo)通電阻RDS(ON)。因此，在給定的電流下，使用一個(gè)MOSFET來(lái)替代二極管可以獲得比二極管小很多的電壓降。

在同步降壓轉(zhuǎn)換器中，通過(guò)用兩個(gè)低端的MOSFET來(lái)替換肖特基二極管可以提高效率(圖1b)。這兩個(gè)MOSFET必須以互補(bǔ)的模式驅(qū)動(dòng)，在它們的導(dǎo)通間隙之間有一個(gè)很小的死區(qū)時(shí)間(dead time)，以避免同時(shí)導(dǎo)通。同步FET工作在第三象限，因?yàn)殡娏鲝脑礃O流到漏極。

隨著開(kāi)關(guān)的打開(kāi)和閉合，升壓電感器會(huì)經(jīng)歷電流紋波。一般建議紋波電流應(yīng)低于平均電感電流的20%。電感過(guò)大將要求使用大得多的電感器，而電感太小將引起更大的開(kāi)關(guān)電流，特別在輸出電容器中，而這又要求更大的電容器。

電感值的選擇取決于期望的紋波電流。如等式1所示，較高的VIN或VOUT也會(huì)增加紋波電流。電感器當(dāng)然必須能夠在不造成磁芯飽和(意味著電感損失)情況下處理峰值開(kāi)關(guān)電流。

由公式可以得出:

(1) 開(kāi)關(guān)頻率越高，所需的電感值就可以減小;

(2) 電感值增大，可以降低紋波電流和磁芯磁滯損耗。但電感值的增大，電感尺寸也相應(yīng)的增大，電流變化速度也減慢。

為了避免電感飽和，電感的額定電流值應(yīng)該是轉(zhuǎn)換器最大輸出電流值與電感紋波電流之和。

電感的直流電阻(RDC)，取決于所采用的材料或貼片電感器的構(gòu)造類(lèi)型，在室溫條件下通過(guò)簡(jiǎn)單的電阻測(cè)量即可獲得。RDC的大小直接影響線圈的溫度上升。因此，應(yīng)當(dāng)避免長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)電流額定值。

線圈的總耗損包括RDC中的耗損和下列與頻率相關(guān)聯(lián)的耗損分量:磁芯材料損耗(磁滯損耗、渦流損耗);趨膚效應(yīng)造成的導(dǎo)體中的其他耗損(高頻電流位移);相鄰繞組的磁場(chǎng)損耗(鄰近效應(yīng));輻射損耗。

將上述所有耗損分量組合在一起構(gòu)成串聯(lián)耗損電阻(Rs)。耗損電阻主要用于定義電感器的品質(zhì)。然而，我們無(wú)法用數(shù)學(xué)方法確定Rs，一般采用阻抗分析儀在整個(gè)頻率范圍內(nèi)對(duì)電感器進(jìn)行測(cè)量。

電感線圈電抗(XL)與總電阻(Rs)之比稱(chēng)為品質(zhì)因素Q，參見(jiàn)公式(2)。品質(zhì)因素被定義為電感器的品質(zhì)參數(shù)。損耗越高，電感器作為儲(chǔ)能元件的品質(zhì)就越低。

品質(zhì)-頻率圖可以幫助選擇針對(duì)特定應(yīng)用的最佳電感器結(jié)構(gòu)。如測(cè)量結(jié)果圖2所示，可以將損耗最低(Q值最高)的工作范圍定義為一直延伸到品質(zhì)拐點(diǎn)。如果在更高的頻率使用電感器，損耗會(huì)劇增(Q降低)。

良好設(shè)計(jì)的電感器效率降低微乎其微。不同的磁芯材料和形狀可以相應(yīng)改變電感器的大小/電流和價(jià)格/電流關(guān)系。采用鐵氧體材料的屏蔽電感器尺寸較小，而且不輻射太多能量。選擇何種電感器往往取決于價(jià)格與尺寸要求以及相應(yīng)的輻射場(chǎng)/EMI要求。

因?yàn)閎uck有跳躍的輸入電流，需要低ESR的輸入電容，實(shí)現(xiàn)最好的輸入電壓濾波。輸入電容值必須足夠大，來(lái)穩(wěn)定重負(fù)載時(shí)的輸入電壓。如果用陶瓷輸出電容，電容RMS紋波電容范圍應(yīng)該滿足應(yīng)用需求。

陶瓷電容具有低ESR值，表現(xiàn)出良好的特性。并且與鉭電容相比，陶瓷電容對(duì)瞬時(shí)電壓不敏感。

輸出電容器的有效串聯(lián)電阻(ESR)和電感器值會(huì)直接影響輸出紋波電壓。利用電感器紋波電流((IL)和輸出電容器的ESR可以簡(jiǎn)單地估測(cè)輸出紋波電壓。

輸出電壓紋波是由輸出電容的ESR引起的電壓值，和由輸出電容沖放電引起的電壓紋波之和

有些廠家的DC/DC產(chǎn)品的內(nèi)部由補(bǔ)償環(huán)路，以實(shí)現(xiàn)最佳的瞬態(tài)響應(yīng)和環(huán)路穩(wěn)定性。當(dāng)然，內(nèi)部補(bǔ)償能夠理想地支持一系列工作條件，而且能夠敏感地響應(yīng)輸出電容器參數(shù)變化。

如上圖，BOOST 與 BUCK電路結(jié)構(gòu)不一樣, Boost 電路是電感在輸入電源與升壓整流管之間, 開(kāi)關(guān)管接電源地. BUCK 是電感在開(kāi)關(guān)管與出電源之間,續(xù)流二級(jí)管反向接開(kāi)關(guān)管與電源地.

DC-DC電路設(shè)計(jì)至少要考慮以下條件:

1.外部輸入電源電壓的范圍，輸出電流的大小。

2. DC-DC輸出的電壓，電流，系統(tǒng)的功率最大值。

基于以上兩點(diǎn)選擇PWM IC要考慮:

1. PWM IC的最大輸入電壓。

2.PWM開(kāi)關(guān)的頻率，這一點(diǎn)的選擇關(guān)系到系統(tǒng)的效率。對(duì)儲(chǔ)能電感，電容的大小的選擇也有一定影響。

3.MOS管的所能夠承受的最大額定電流及其額定功率，如果DC-DC IC內(nèi)部自帶MOS，只需要考慮IC輸出的額定電流。

4. MOS的開(kāi)關(guān)電壓

2. 二極管:通常都用肖特基二極管。選擇時(shí)要考濾反向電壓，前向電流，一般情況反向電壓為輸入電源電壓的二倍，前向電流為輸出電流的兩倍。

3. 電容:電容的選擇基于開(kāi)關(guān)的頻率，系統(tǒng)紋波的要求及輸出電壓的要求。容量和電容內(nèi)部的等效電阻決定紋波大小(當(dāng)然和電感也有關(guān))。