科普一些關于DC/DC的知識點

關于DC/DC的基本概念

首先，從最基本的概念談起。什么是 DC(Direct Current)？它表示直流電源，諸如干電池或車載電池等；家庭用的220V電源則是交流電源(AC)。

若通過一個轉(zhuǎn)換器能將一個直流電壓(3.0V)轉(zhuǎn)換成其它直流電壓(1.5V或 5.0V)，這個轉(zhuǎn)換器即 DC/DC 轉(zhuǎn)換器（ DC/DC switching regulator），又因為 DC/DC 的轉(zhuǎn)換功能一般都是由開關電源實現(xiàn)的，所以 DC/DC 往往又被稱為開關電源或開關調(diào)整器。

DC/DC轉(zhuǎn)換器一般由控制芯片，電感線圈，二極管，MOS管，電容器等構(gòu)成。其中一般常見原理是將直流電經(jīng)過斬波電路從而變成另一電壓的直流電。

DC/DC典型應用電路

DC/DC 轉(zhuǎn)換器分為升壓型、降壓型、升/降壓型和反相類型，具有效率高、輸出電流大和靜態(tài)電流小等優(yōu)點；隨著電路集成度的提高，許多新型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器僅需外接幾只電感器和濾波電容器就可以完成直流電壓的轉(zhuǎn)換；但不足之處也很明顯， DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出脈動和開關噪音較大、成本相對較高。

從原理上來講，其實內(nèi)部是先把DC直流電源轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟婋娫碅C。通常是一種自激震蕩電路，所以外面需要電感等分立元件。然后在輸出端再通過積分濾波，又回到DC電源。由于產(chǎn)生AC電源，所以可以很輕松的進行升壓跟降壓。兩次轉(zhuǎn)換，必然會產(chǎn)生損耗，因而大家都在努力研究的如何提高DC/DC效率。

DC/DC電源調(diào)制方式

DC/DC電源屬于斬波類型，即按照一定的調(diào)制方式，不斷地導通和關斷高速開關（由MOSFET構(gòu)成），通過控制開關通斷地占空比例，可以實現(xiàn)直流電源電平地變換。

DC/DC電源地調(diào)制方式有三種：PWM方式/PFM方式/PWM與PFM地混合方式。其中，PWM是最為常見地調(diào)制方式。

PWM調(diào)制

PWM是最普通的電壓控制方法。在恒定周期下，將開關設為ON，從輸入截取符合輸出所需功率的部分。因此，ON和OFF的比率、占空比會隨必要的輸出功率而變化。

由于頻率恒定，故有可預測即將產(chǎn)生的開關噪聲、濾波器處理容易等優(yōu)點。

其缺點是，由于頻率恒定，重負載時和輕負載時的開關次數(shù)都相同，自我消耗電流不變，故輕負載時開關損耗是主要損耗而效率降低。

頻率恒定根據(jù)占空比調(diào)整輸出電壓

頻率恒定，易于過濾噪聲

頻率恒定，輕負載時開關損耗效率顯著惡化

PFM調(diào)制

PFM則通過調(diào)節(jié)開關頻率以實現(xiàn)穩(wěn)定的電源電壓的輸出。

PFM工作時，在輸出電源電壓超過設置電壓后，其輸出將被關斷，直至輸出電源電壓跌落到低于設置電壓后才重新開始工作。基于這種工作方式，PFM的功耗相對較低，在輕負載時，其效率較高，且無需外部提供假負載，但在PFM調(diào)制方式下，輸出端對負載變化的響應相對較慢，且輸出電壓噪聲和紋波相對較大，同時由于無法提供限流功能使其不適合于連續(xù)供電方式。

PFM有固定ON時間型和固定OFF時間型。以固定ON時間型為例（下圖參考），ON時間恒定OFF時間變化。

換句話說，接下來一直到ON之前的時間會改變。當負載變大時，將會隨著負載增加時間內(nèi)的ON次數(shù)。

也就是說，重負載時頻率會變高，輕負載時頻率會變低。

其優(yōu)點是，輕負載時無需增加功率，開關頻率變低，開關次數(shù)減少，開關損耗減少，故輕負載時也可維持高效率。

其缺點是，頻率會變化，開關相關噪聲不穩(wěn)定且難以濾波。噪聲難消除。

此外，頻率一進入可聽帶20kHz時有可能會發(fā)生聲響等對音響設備的S/N造成影響。從這個意義來說，PWM比較容易操作。

輕負載時會降頻率工作，故開關損耗會減少而維持效率

頻率不穩(wěn)定，故噪聲濾波困難而有進入聽覺范圍的可能性

利用哪一方，必須在理解各特性后權衡。

PWM輕負載時恒定周期開關，故效率低下。

PFM輕負載時會降頻率工作，故開關損耗減少而維持效率。

有些IC為了能夠利用雙方的優(yōu)點，于穩(wěn)定工作時采PWM工作，于輕負載時開關成PFM來維持效率。

PWM控制型效率高并具有良好的輸出電壓紋波和噪聲。PFM控制型即使長時間使用，尤其小負載時具有耗電小的優(yōu)點。PWM/PFM轉(zhuǎn)換型小負載時實行PFM控制，且在重負載時自動轉(zhuǎn)換到PWM控制。目前DC-DC轉(zhuǎn)換器廣泛應用于手機、MP3、數(shù)碼相機、便攜式媒體播放器等產(chǎn)品中。

DC/DC電源分類

根據(jù)輸出電壓與輸入電壓之間的關系，DC/DC電源分為降壓/升壓/反相三種類別。

以降壓為目的的DC/DC電源電路稱為BUCK電路

以升壓為目的的DC/DC電源電路稱為BOOST電路

以反相為目的的DC/DC電源電路稱為BUCK-BOOST電路

1）BUCK電路

BUCK電路由開關K1（通常用MOS管），續(xù)流二極管D1，以及輸出端起儲能和濾波作用的器件L1,C1構(gòu)成（RL表示負載）。

DC/DC電源芯片輸出PWM調(diào)制波形，控制開關K1通斷，在一個開關周期Tcycle內(nèi)，Q導通時間為Ton,關斷時間為Toff。

當開關K1閉合時，輸入電源VI通過電感L1對電容C1進行充電，電能儲存在電感L1的同時也為外接負載RL提供能源。

當開關K1斷開時，由于流過電感L1的電流不能突變，電感L1通過二極管D1形成導通回路（二極管D1也因此稱為續(xù)流二極管），從而對輸出負載RL提供能源，此時此刻，電容C1也對負載RL放電提供能源。

相關波形如下圖所示：

2）BOOST電路

與BUCK電路相同，BOOST電路也由開關管Q，續(xù)流二極管D，以及L，C元件構(gòu)成。

當Q導通時，電流方向為順時針，續(xù)流二極管D反偏截止，電流流向如上圖箭頭方向‘1’，輸入電壓Vin加在L兩端，為L充電，充電時間為開關管導通時間Ton。

當Q關斷時，由于電感L電流不能突變（自感效應），電流方向仍然保持順時針方向（上圖箭頭‘2’），續(xù)流二極管正向?qū)?，儲存于L內(nèi)的能量經(jīng)過續(xù)流二極管D向負載供電。

在Q導通的過程中，電感L的電流變化量為：

Δ DeltaΔ IL1=Vin/L Ton

（由自感應電壓公式：U= L（dI/dt）（dI/dt 為電流變化率）,可知dI=U*dt/L）

在Q關斷的過程中，電感L的電流變化量為：

Δ DeltaΔ IL2=（Vout-Vin)/L *Toff

在DC/DC電源電路啟動完成后，電源電路正常工作時，應有Δ DeltaΔ IL1=Δ DeltaΔ IL2（即電感電流不能突變）, 結(jié)合以上兩個式子?？傻玫剑?/p>

Vout=1/(1-Ton/Tcycle)*Vin

因為Ton/Tcycle<1，因此Vout>Vin,即BOOST電路能獲得輸出電壓永遠大于輸入電壓。

控制技術簡述

DC/DC的控制技術按照不同的標準，有眾多分類方式。常見的有：

1）按占空比控制方式分類：分為恒頻控制（PWM）和變頻控制（PFM），也有將此種分類方式稱為按調(diào)制方式分類。

2）按采樣信號種類分類：電壓型、電流模、電荷型、磁通型。也有的分類方式分為基于（電壓）紋波控制和非紋波控制類。

在控制環(huán)路中，開關頻率產(chǎn)生的方式一般有 CLK（振蕩器）或固定計時器（COT、CFT）；占空比控制器（一般為比較器加邏輯部分）的輸入端的信號種類一般有 EA 輸出、恒頻的鋸齒波、電感電流采樣信號和輸出紋波采樣信號，其中電感電流和輸出紋波的信號均可分為峰值（Peak）和谷值（Valley）。根據(jù)【開關頻率發(fā)生方式】和【占空比控制器的輸入端的信號種類】的不同組合，可以得到許多我們現(xiàn)在常見的環(huán)路控制方式：

1）頻率由振蕩器 CLK 產(chǎn)生，占空比控制器輸入端為 EA_out 和固定鋸齒波可得到傳統(tǒng)的 PWM電壓模。

2）頻率由振蕩器 CLK 產(chǎn)生，占空比控制器輸入端為 EA_out 和電感電流信號可得到峰值（谷值）電流模，即平時所說的 Peak（Valley）Current Mode。

3）頻率由固定計時器產(chǎn)生，占空比控制器為 EA_out 和電感電流信號，可得到峰值（谷值）電流模的 COT（CFT）。

4）頻率由固定計時器產(chǎn)生，占空比控制器為 EA_out 和輸出電壓紋波信號，可得到紋波控制的COT（CFT）。

常見的BUCK環(huán)路

1 傳統(tǒng)的 PWM 電壓模 Buck

2 峰值（PWM）電流模 Buck

3 COT-Buck

關于DC/DC環(huán)路的相關內(nèi)容，可以參看我們的往期內(nèi)容：