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DC/DC變換器

DC/DC變換器的基本原理。DC/DC變換器是如何實現(xiàn)升壓的?希望能用通俗一點的話說明。本人比較笨~~~ 可以解釋下個器件作用...: 問提問者：網(wǎng)友 | 2017-11-15

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DC/DC轉(zhuǎn)換器目錄一. 電荷泵1. 工作原理2. 倍壓模式如何產(chǎn)生3. 效率4. 電荷泵應用5. 電荷泵選用要點二. 電感式DC/DC1. 工作原理(BUCK)2. 整流二極管的選擇3. 同步整流技術(shù)4. 電感器的選擇5. 輸入電容的選擇6. 輸出電容的選擇7. BOOST 與 BUCK的拓撲結(jié)構(gòu)一. 電荷泵 1. 工作原理2. 倍壓模式如何產(chǎn)生3. 效率4. 電荷泵應用5. 電荷泵選用要點二. 電感式DC/DC 1. 工作原理(BUCK)2. 整流二極管的選擇3. 同步整流技術(shù)4. 電感器的選擇5. 輸入電容的選擇6. 輸出電容的選擇7. BOOST 與 BUCK的拓撲結(jié)構(gòu)展開 DC/DC是開關電源芯片。開關電源，指利用電容、電感的儲能的特性，通過可控開關(MOSFET等)進行高頻開關的動作，將輸入的電能儲存在電容(感)里，當開關斷開時，電能再釋放給負載，提供能量。其輸出的功率或電壓的能力與占空比(由開關導通時間與整個開關的周期的比值)有關。開關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)，一種為電感儲能DC-DC轉(zhuǎn)換器。本文詳細講解了這兩種DC/DC產(chǎn)品的相關知識。編輯本段一. 電荷泵電荷泵為容性儲能DC-DC產(chǎn)品，可以進行升壓，也可以作為降壓使用，還可以進行反壓輸出。電荷泵消除了電感器和變壓器所帶有的磁場和電磁干擾。1. 工作原理電荷泵是通過外部一個快速充電電容(Flying Capacitor)，內(nèi)部以一定的頻率進行開關，對電容進行充電，并且和輸入電壓一起，進行升壓(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，與基準電壓VREF做比較，經(jīng)過誤差放大器A，來控制充電電容的充電時間和充電電壓，從而達到穩(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的模式下都可以運行。當電池的輸入電壓較低時，電荷泵可以產(chǎn)生一個相當于輸入電壓的1.5倍的輸出電壓。而當電池的電壓較高時，電荷泵則在1X模式下運行，此時負載電荷泵僅僅是將輸入電壓傳輸?shù)截撦d中。這樣就在輸入電壓較高的時候降低了輸入電流和功率損耗。2. 倍壓模式如何產(chǎn)生以1.5x mode為例講解:電壓轉(zhuǎn)換分兩個階段完成。第一階段在第一階段， C1和C2串聯(lián)。假設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=1.5VIN3. 效率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倍壓模式進行升壓，那么它的效率為Vout/2Vin。輸入電壓越小，效率越高。4. 電荷泵應用在我們的設計中，電荷泵經(jīng)常被用作白光LED驅(qū)動，一般在手機中應用于并聯(lián)LCD背光驅(qū)動芯片。而串聯(lián)背光驅(qū)動芯片則應選擇電感式的DC/DC，因為它對電壓要求較高。5. 電荷泵選用要點選用電荷泵時考慮以下幾個要素: · 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，對手機的整體電路無干擾; · 功能集成度要高，提高單位面積的使用效率，使手機設計的更小巧; · 足夠的輸出調(diào)整能力，電荷泵不會因工作在滿負荷狀態(tài)而發(fā)燙; · 封裝尺寸小是手持產(chǎn)品普遍要求; · 按裝成本低，包括周邊電路少占PCB板面積小，走線少而簡單; · 具有關閉控制端，可在長時間待機狀態(tài)下關閉電荷泵，使供電電流消耗近乎為0。編輯本段二. 電感式DC/DC 它是通過電感不斷的儲能/放電，最后達到穩(wěn)定電壓/電流輸出的轉(zhuǎn)換器。根據(jù)輸出電壓與輸出電壓的高低比較，可以分為boost(輸出電壓遠高于輸入電壓)和buck(輸出電壓低于輸入電壓)。它們的拓撲結(jié)構(gòu)不同。 Boost一般用于lcd串聯(lián)背光驅(qū)動以及oled驅(qū)動，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。1. 工作原理(BUCK) 上圖降壓轉(zhuǎn)換器最基本的電路:是利用MOSFET開關閉合時在電感器中儲能，并產(chǎn)生電流。當開關斷開時，貯存的電感器能量通過二極管輸出給負載。輸出電壓值與占空比(開關開啟時間與整個開關周期之間的比 )有關。2. 整流二極管的選擇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載電流大得多。其正向電壓降必須很低，以避免二極管導通時有過大的損耗。此外，因為MOSFET工作于高頻開關模式，所以需要二極管具有從導通狀態(tài)到非導通狀態(tài)時，很快恢復。反應速度越快，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特性。3. 同步整流技術(shù) 同步整流是采用通態(tài)電阻極低的專用功率MOSFET，來取代整流二極管以降低整流損耗的一項新技術(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，它在導通時的伏安特性呈線性關系。用功率MOSFET做整流器時，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，故稱之為同步整流。當輸出電壓降低時，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，可以通過加大硅片的尺寸或并行連接分離器件來降低MOSFET的導通電阻RDS(ON)。因此，在給定的電流下，使用一個MOSFET來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，通過用兩個低端的MOSFET來替換肖特基二極管可以提高效率(圖1b)。這兩個MOSFET必須以互補的模式驅(qū)動，在它們的導通間隙之間有一個很小的死區(qū)時間(dead time)，以避免同時導通。同步FET工作在第三象限，因為電流從源極流到漏極。4. 電感器的選擇隨著開關的打開和閉合，升壓電感器會經(jīng)歷電流紋波。一般建議紋波電流應低于平均電感電流的20%。電感過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關電流，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也會增加紋波電流。電感器當然必須能夠在不造成磁芯飽和(意味著電感損失)情況下處理峰值開關電流。由公式可以得出: (1) 開關頻率越高，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)造類型，在室溫條件下通過簡單的電阻測量即可獲得。RDC的大小直接影響線圈的溫度上升。因此，應當避免長時間超過電流額定值。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);趨膚效應造成的導體中的其他耗損(高頻電流位移);相鄰繞組的磁場損耗(鄰近效應);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，我們無法用數(shù)學方法確定Rs，一般采用阻抗分析儀在整個頻率范圍內(nèi)對電感器進行測量。電感線圈電抗(XL)與總電阻(Rs)之比稱為品質(zhì)因素Q，參見公式(2)。品質(zhì)因素被定義為電感器的品質(zhì)參數(shù)。損耗越高，電感器作為儲能元件的品質(zhì)就越低。品質(zhì)-頻率圖可以幫助選擇針對特定應用的最佳電感器結(jié)構(gòu)。如測量結(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。如果在更高的頻率使用電感器，損耗會劇增(Q降低)。良好設計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改變電感器的大小/電流和價格/電流關系。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格與尺寸要求以及相應的輻射場/EMI要求。5. 輸入電容的選擇因為buck有跳躍的輸入電流，需要低ESR的輸入電容，實現(xiàn)最好的輸入電壓濾波。輸入電容值必須足夠大，來穩(wěn)定重負載時的輸入電壓。如果用陶瓷輸出電容，電容RMS紋波電容范圍應該滿足應用需求。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，陶瓷電容對瞬時電壓不敏感。6. 輸出電容的選擇輸出電容器的有效串聯(lián)電阻(ESR)和電感器值會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可以簡單地估測輸出紋波電壓。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)部由補償環(huán)路，以實現(xiàn)最佳的瞬態(tài)響應和環(huán)路穩(wěn)定性。當然，內(nèi)部補償能夠理想地支持一系列工作條件，而且能夠敏感地響應輸出電容器參數(shù)變化。7. BOOST 與 BUCK的拓撲結(jié)構(gòu) 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, 開關管接電源地. BUCK 是電感在開關管與出電源之間,續(xù)流二級管反向接開關管與電源地: 回答者：網(wǎng)友

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