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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(shí)現(xiàn)升壓的?希望能用通俗一點(diǎn)的話說(shuō)明。本人比較笨~~~ 可以解釋下個(gè)器件作用...: 問(wèn) 提問(wèn)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(yīng)用5. 電荷泵選用要點(diǎn)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?fù)浣Y(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(yīng)用5. 電荷泵選用要點(diǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)展開 DC/DC是開關(guān)電源芯片。開關(guān)電源，指利用電容、電感的儲(chǔ)能的特性，通過(guò)可控開關(guān)(MOSFET等)進(jìn)行高頻開關(guān)的動(dòng)作，將輸入的電能儲(chǔ)存在電容(感)里，當(dāng)開關(guān)斷開時(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(由開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間與整個(gè)開關(guān)的周期的比值)有關(guān)。開關(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)。編輯本段一. 電荷泵電荷泵為容性儲(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。1. 工作原理電荷泵是通過(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。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(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=1.5VIN3. 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(jìn)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(yīng)用在我們的設(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。5. 電荷泵選用要點(diǎn) 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; · 按裝成本低，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。編輯本段二. 電感式DC/DC 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)輸出電壓與輸出電壓的高低比較，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。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(guān)閉合時(shí)在電感器中儲(chǔ)能，并產(chǎn)生電流。當(dāng)開關(guān)斷開時(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(開關(guān)開啟時(shí)間與整個(gè)開關(guān)周期之間的比 )有關(guān)。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(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。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(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。4. 電感器的選擇隨著開關(guān)的打開和閉合，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)情況下處理峰值開關(guān)電流。由公式可以得出: (1) 開關(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。5. 輸入電容的選擇因?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。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(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。7. BOOST 與 BUCK的拓?fù)浣Y(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(guān)管接電源地. BUCK 是電感在開關(guān)管與出電源之間,續(xù)流二級(jí)管反向接開關(guān)管與電源地: 回答者：網(wǎng)友

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