DC/DC電源指直流轉換為直流的電源，從這個(gè)定義上看，LDO(低壓差線(xiàn)性穩壓器)芯片也應該屬于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(guò)開(kāi)關(guān)方式實(shí)現的電源稱(chēng)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(gè)定律和開(kāi)關(guān)電源的三種基本拓撲(不要以為開(kāi)關(guān)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(gè)功率變換器，當輸入、負載和控制均為固定值時(shí)的工作狀態(tài)，在開(kāi)關(guān)電源中，被稱(chēng)為穩態(tài)。穩態(tài)下，功率變換器中的電感滿(mǎn)足電感電壓伏秒平衡定律：對于已工作在穩態(tài)的DC/DC功率變換器，有源開(kāi)關(guān)導通時(shí)加在濾波電感上的正向伏秒一定等于有源開(kāi)關(guān)截至時(shí)加在該電感上的反向伏秒。

是不是覺(jué)得有點(diǎn)難理解，接著(zhù)往下看原理圖分析。

2.開(kāi)關(guān)電源三種基本拓撲

2.1 BUCK降壓型

先來(lái)看一下原理圖

圖1

當PWM驅動(dòng)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(xiàn)性上升，此時(shí)電感正向伏秒為：V*T_on=(V_in-V_o)*T_on

當PWM驅動(dòng)低電平使得NMOS管Q1截至時(shí)，電感電流不能突變，經(jīng)過(guò)續流二極管形成回路(忽略二極管壓降)，給輸出負載供電，此時(shí)電感電流下降，此時(shí)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(lèi)似的分析方法，當MOS管導通時(shí)，電感的正向伏秒為：V_in*T_on；當MOS管截至時(shí)，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(該電路中二極管方向反了)

首先還是來(lái)看電路圖

圖3

同樣，和BUCK電路分析方法相同，當MOS管導通時(shí)，電感的正向伏秒為：V_in*T_on；當MOS管截止時(shí)，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芯片主要是通過(guò)反饋電壓與內部基準電壓的的比較，從而調節M(mǎn)OS管驅動(dòng)波形的占空比，來(lái)保證輸出電壓的穩定。

3.同步整流技術(shù)

由于二極管導通時(shí)至少存在0.3V的壓降，因此續流二極管D所消耗的功率將會(huì )稱(chēng)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(wèn)題，以導通電阻極小的MOS管取代續流二極管。然后通過(guò)控制器同時(shí)控制開(kāi)關(guān)管和同步整流管，要保證兩個(gè)MOS管不能同時(shí)導通，負責將會(huì )發(fā)生短路。

圖4

二、DC/DC電源調制方式

DC/DC電源屬于斬波類(lèi)型，即按照一定的調制方式，不斷地導通和關(guān)斷高速開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)通斷的占空比，可以實(shí)現直流電源電平的轉換。DC/DC電源的調制方式有三種：PWM方式、PFM方式、PWM與PFM的混合方式。

1.PWM(脈沖寬度調制)

PWM采用恒定的開(kāi)關(guān)頻率，通過(guò)調節脈沖寬度(占空比)的方法來(lái)實(shí)現穩定電源電壓的輸出。在PWM調制方式下，開(kāi)關(guān)頻率恒定，即不存在長(cháng)時(shí)間被關(guān)斷的情況。

優(yōu)點(diǎn)：噪聲低、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(diǎn)：輕負載時(shí)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(脈沖頻率調制)

PFM通過(guò)調節開(kāi)關(guān)頻率以實(shí)現穩定的電源電壓的輸出。PFM工作時(shí)，在輸出電壓超過(guò)上閾值電壓后，其輸出將關(guān)斷，直到輸出電壓跌落到低于下閾值電壓時(shí)，才重新開(kāi)始工作。

優(yōu)點(diǎn)：功耗較低，輕負載時(shí)，效率高且無(wú)需提供假負載。

缺點(diǎn)：對負載變化響應較慢，輸出電壓的噪聲和紋波相對較大，不適合工作于連續供電方式。

三、DC/DC芯片的內部構造

接下來(lái)我們來(lái)看看DC/DC電源芯片內部的單元模塊，并且給大家看看基本拓撲與電源芯片的聯(lián)系，先來(lái)看一個(gè)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(jìn)行放大，然后再用該信號去控制PWM輸出信號的占空比。

2.溫度保護：當溫度高于限定值，芯片停止工作。

3.限流保護：如果電流比較器的電阻上的電流過(guò)大，輸出就會(huì )降低，直到超過(guò)下限閾值，電源芯片就會(huì )出現打嗝現象。這個(gè)模式可以在輸出發(fā)生短路的情況下很好地保護芯片，保護穩壓管，一旦過(guò)流現象消除，打嗝也會(huì )消除。

4.軟啟動(dòng)電路：用于電源啟動(dòng)時(shí)，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電路的硬件設計參數選擇標準

1.設置輸出電壓：先選擇合適的R2,R2過(guò)小會(huì )導致靜態(tài)電流過(guò)大，從而導致加大損耗；R2太大會(huì )導致靜態(tài)電流過(guò)小，而導致FB引腳的反饋電壓對噪聲敏感，一般在數據手冊中有推薦值范圍參考。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(mǎn)足直到輸出最小規定電流時(shí)，電感電流也保持連續。在電感選取過(guò)程中需要綜合輸出電流、紋波、體積等多個(gè)因素進(jìn)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，將具有更大的物理占用面積，更高的串聯(lián)電阻和更低的飽和電流。一般在芯片的datasheet中會(huì )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(lái)進(jìn)行選取。電容產(chǎn)生的紋波:相對很小，可以忽略不計;電容等效電感產(chǎn)生的紋波:在300KHz~500KHz以下，可以忽略不計；電容等效電阻產(chǎn)生的紋波：與ESR和流過(guò)電容電流成正比，該電流紋波主要是和開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)，基本為開(kāi)關(guān)頻率的n次諧波，為了減少紋波，讓ESR盡量小。