硬件設(shè)計:電源設(shè)計--DC/DC工作原理及芯片詳解

參考資料： DC/DC降壓電源芯片內(nèi)部設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)

MP2315(DC/DC電源芯片)解讀

DC/DC電源詳解

第一次寫博客，不喜勿噴，謝謝！！！

DC/DC電源指直流轉(zhuǎn)換為直流的電源，從這個定義上看，LDO(低壓差線性穩(wěn)壓器)芯片也應(yīng)該屬于DC/DC電源，但一般只將直流變換到直流，且這種轉(zhuǎn)換是通過開關(guān)方式實現(xiàn)的電源稱為DC/DC電源。

一、工作原理

要理解DC/DC的工作原理，首先得了解一個定律和開關(guān)電源的三種基本拓撲(不要以為開關(guān)電源的基本拓撲很難，你繼續(xù)往下看) 。

1、電感電壓伏秒平衡定律

一個功率變換器，當輸入、負載和控制均為固定值時的工作狀態(tài)，在開關(guān)電源中，被稱為穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)下，功率變換器中的電感滿足電感電壓伏秒平衡定律：對于已工作在穩(wěn)態(tài)的DC/DC功率變換器，有源開關(guān)導(dǎo)通時加在濾波電感上的正向伏秒一定等于有源開關(guān)截止時加在該電感上的反向伏秒。

是不是覺得有點難理解，接著往下看其公式推導(dǎo)過程。

伏秒平衡方程推算過程：

電感的基本方程為：V(t)=L*dI(t)/dt,即電感兩端的電壓等于電感感值乘以通過電感的電流隨時間的變化率。

根據(jù)上述方程，可得dI(t)=1/L∫V(t)dt,對于穩(wěn)態(tài)的一個功率變換器，其應(yīng)保證在一個周期內(nèi)電感中的能量充放相等，反映在V-t圖中即表示在一個周期內(nèi)其面積之和為0，所以得出電感電壓伏秒平衡定律。此處可參考： DC/DC電源詳解第8頁(如果此處還無法理解，可先閱讀下面開關(guān)電源三種基本拓撲的工作原理)。

擴展資料：

1、當一個電感突然加上一個電壓時，其中的電流逐漸增加，并且電感量越大，其電流增加越慢；

2、當一個電感上的電流突然中斷，會在電感兩端產(chǎn)生一個瞬間高壓，并且電感量越大該電壓越高；

3、電容的基本方程為：I(t)=dV(t)/(C*dt)，當一電流流經(jīng)電容時，電容兩端電壓逐漸增加，并且電容量越大電壓增加越慢；

2、開關(guān)電源三種基本拓撲

2.1、BUCK降壓型

圖1 BUCK型基本拓撲簡化工作原理圖

圖2 電感V-t特性圖

BUCK降壓型基本拓撲原理如圖1所示，其電感L1的V-t特性圖如圖2。

當PWM驅(qū)動MOS管Q1導(dǎo)通時，忽略MOS管的導(dǎo)通壓降，此時電感兩端電壓保持不變?yōu)閂 in -V o ，根據(jù)電感的基本方程：V(t)=L dI(t)/dt,電感電流將呈線性上升，此時電感正向伏秒為：V T on =(V in -V o )*T on。

當PWM驅(qū)動MOS管Q1截至?xí)r，電感電流經(jīng)過續(xù)流二極管D1形成回路(忽略二極管壓降)且電感電流不發(fā)生突變，同樣電感兩端電壓也保持不變?yōu)閂 o ,方向與(V in -V o )相反，電感電流呈線性下降，此時電感反向伏秒為：V T off =Vo (T s -T on )，T s 為PWM波形周期。

根據(jù)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3 BOOST型基本拓撲簡化工作原理圖

圖3是BOOST升壓型基本拓撲的簡化原理圖，其分析方法和BUCK電路分析類似。

當PWM驅(qū)動MOS管導(dǎo)通時，此時電感的正向伏秒為：V in *T on;

當PWM驅(qū)動MOS管截至?xí)r，此時電感的反向伏秒為：(V o - V in )*(T s -T on )。

根據(jù)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(zhuǎn)升降壓型(該電路中二極管方向反了)

圖4 BUCK-BOOST型基本拓撲簡化工作原理圖

BUCK-BOOST電路分析方法和上面兩種類型的基本拓撲分析方法相同，當MOS管導(dǎo)通時，電感的正向伏秒為：V in T on ；當MOS管截止時，電感的反向伏秒為：-V o (T s -T on )。

根據(jù)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))*

擴展資料

1、DC/DC電源芯片主要是通過反饋電壓與內(nèi)部基準電壓的的比較，從而調(diào)節(jié)MOS管的驅(qū)動波形的占空比，來保證輸出電壓的穩(wěn)定。

2、同步整流技術(shù)

由于二極管導(dǎo)通時多少會存在管壓降，因此續(xù)流二極管所消耗的功率將會成為DC/DC電源主要功耗，從而嚴重限制了DC/DC電源芯片效率的提高。為解決該問題，以導(dǎo)通電阻極小的MOS管取代續(xù)流二極管，然后通過控制器同時控制開關(guān)管和同步整流管，要保證兩個MOS管不能同時導(dǎo)通，負責(zé)將會發(fā)生短路。

圖5 帶同步整流的BUCK電路

二、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(dǎo)通和關(guān)斷高速開關(guān)，通過控制開關(guān)通斷的占空比，可以實現(xiàn)直流電源電平的轉(zhuǎn)換。DC/DC電源的調(diào)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(diào)制)

PWM采用恒定的開關(guān)頻率，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度(占空比)的方法來實現(xiàn)穩(wěn)定電源電壓的輸出。在PWM調(diào)制方式下，開關(guān)頻率恒定，即不存在長時間被關(guān)斷的情況。

優(yōu)點：噪聲低、效率高，對負載的變化響應(yīng)速度快，且支持連續(xù)供電的工作模式。

缺點：輕負載時效率較低，且電路工作不穩(wěn)定，在設(shè)計上需要提供假負載。

2.PFM(脈沖頻率調(diào)制)

PFM通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率以實現(xiàn)穩(wěn)定的電源電壓的輸出。PFM工作時，在輸出電壓超過上閾值電壓后，其輸出將關(guān)斷，直到輸出電壓跌落到低于下閾值電壓時，才重新開始工作。

優(yōu)點：功耗較低，輕負載時，效率高且無需提供假負載。

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

三、DC/DC芯片的內(nèi)部構(gòu)造

接下來我們來看看DC/DC電源芯片內(nèi)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，先來看一個圖。

圖6 DC/DC電源芯片內(nèi)部構(gòu)圖

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大，輸出就會降低，直到超過下限閾值，電源芯片就會出現(xiàn)打嗝現(xiàn)象。這個模式可以在輸出發(fā)生短路的情況下很好地保護芯片，保護穩(wěn)壓管，一旦過流現(xiàn)象消除，打嗝也會消除。

4、軟啟動電路：用于電源啟動時，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(shè)計參數(shù)選擇標準

1.設(shè)置輸出電壓：先選擇合適的R2,R2過小會導(dǎo)致靜態(tài)電流過大，從而導(dǎo)致加大損耗；R2太大會導(dǎo)致靜態(tài)電流過小，而導(dǎo)致FB引腳的反饋電壓對噪聲敏感，一般在datasheet中有推薦值范圍參考。選定R2，根據(jù)輸出電壓計算R1的值，R1=((V out -V ref )/V ref )*R2。

2.電感：電感的選擇要滿足直到輸出最小規(guī)定電流時，電感電流也保持連續(xù)。在電感選取過程中需要綜合考慮輸出電流、紋波、體積等多個因素。較大的電感將導(dǎo)致較小的紋波電流，從而導(dǎo)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中會有相應(yīng)的計算公式。

3.輸出電容：輸出電容的選擇主要是根據(jù)設(shè)計中所需要的輸出紋波的要求來進行選取。

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和流過電容電流成正比，該電流紋波主要是和開關(guān)管的開關(guān)頻率有關(guān)，基本為開關(guān)頻率的N次諧波，為了減少紋波，讓ESR盡量小。

出處： https://www.cnblogs.com/wcat/

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