DC/DC電源芯片詳解

開關電源就是用通過電路操控開關管進行高速的道通與截止，將直流電轉化為高頻率的交流電提供應變壓器進行變壓，然后發生所需求的一組或多組電壓，但是作為一個一般的用戶，有些電子類的東西你就真的懂了？

隨著人們在開關電源芯片技術范疇是邊開發相關電力電子器件，邊開發開關變頻技術，兩者相互促使推動著開關電源每年以超過兩位數字的增長，率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發展。

開關電源芯片可分為AC/DC電源芯片和DC/DC電源芯片兩大類，DC/DC變換器現已實現模塊化，且設計技術及加工工藝在國內外均已成熟和標準化，并已得到用戶的認可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進程中，遇到較為復雜的技術和工藝制造問題。

AC/DC電源管理芯片變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負載的稱為“整流”，功率流由負載返回電源的稱為“有源逆變”。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電，因非得經整流、濾波，因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的，同時因遇到安全標準（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、、FCC、CSA），交流輸入側非得加EMC濾波及使用符合安全標準的元件，這樣就限制AC/DC電源體積的小型化。

DC/DC電源芯片詳解

DC/DC電源指直流轉換為直流的電源，從這個定義上看，LDO（低壓差線性穩壓器）芯片也應當屬于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開關方式實現的電源稱為DC/DC電源。

一、工作原理

要理解DC/DC的工作原理，首先得知道一個定律和開關電源的三種基本拓撲（不要以為開關電源的基本拓撲很難，你持續往下看）。

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，在開關電源中，被稱為穩態。穩態下，功率變換器中的電感滿足電感電壓伏秒平衡定律：對于已工作在穩態的DC/DC功率變換器，有源開關導通時加在濾波電感上的正向伏秒一定等于有源開關截至時加在該電感上的反向伏秒。

是否覺得有點難理解，接著往下看原理圖分解。

2.開關電源三種基本拓撲

2.1BUCK降壓型

先來看一下原理圖

圖1

當pWM驅動高電平使得NMOS管Q1導通，忽略MOS管的導通壓降，電感電流呈線性上升，此時電感正向伏秒為：V*Ton=（Vin-Vo）*Ton

當pWM驅動低電平使得NMOS管Q1截至時，電感電流不能突變，經過續流二極管形成回路（忽略二極管壓降），給輸出負載供電，此時電感電流下降，此時電感反向伏秒為：V*Toff=Vo*（Ts-Ton）

依據電感電壓伏秒平衡定律可得：（Vin-Vo）*Ton=Vo*（Ts-Ton）

即Vo=D*Vin（D為占空比）

2.2BOOST升壓型

圖2

和BUCK電路類似的分解辦法，當MOS管導通時，電感的正向伏秒為：Vin*Ton；當MOS管截至時，電感的反向伏秒為：（Vo-Vin）*（Ts-Ton）

依據電感電壓伏秒平衡定律可得：Vin*Ton=（Vo-Vin）*（Ts-Ton）

即Vo=Vin/（1-D）

2.3BUCK-BOOST極性反轉升降壓型（該電路中二極管方向反了）

首先還是來看電路圖

圖3

同樣，和BUCK電路分解辦法相同，當MOS管導通時，電感的正向伏秒為：Vin*Ton；當MOS管截止時，電感的反向伏秒為：-Vo*（Ts-Ton）

依據電感電壓伏秒平衡定律可得：Vin*Ton=-Vo*（Ts-Ton）

即Vo=-Vin*（D/（1-D））

所以DC/DC芯片主要是通過反饋電壓與內部基準電壓的的比較，從而調節MOS管驅動波形的占空比，來保證輸出電壓的穩定。

3.同步整流技術

由于二極管導通時至少存在0.3V的壓降，因此續流二極管D所消耗的功率將會稱為DC/DC電源主要功耗，從而嚴重限制了效率的提高。為處理該問題，以導通電阻極小的MOS管取代續流二極管。然后通過控制器同時控制開關管和同步整流管，要保證兩個MOS管不能同時導通，負責將會發生短路。

圖4

二、DC/DC電源調制方式

DC/DC電源屬于斬波類型，即按照一定的調制方式，不斷地導通和關斷高速開關，通過控制開關通斷的占空比，可以實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采用恒定的開關頻率，通過調節脈沖寬度（占空比）的辦法來實現穩定電源電壓的輸出。在pWM調制方式下，開關頻率恒定，即不存在長時間被關斷的情況。

優勢：噪聲低、效率高，對負載的變化應和速度快，且支持連續供電的工作模式。

缺點：輕負載時效率較低，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通過調節開關頻率以實現穩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。

優勢：功耗較低，輕負載時，效率高且無需提供假負載。

缺點：對負載變化應和較慢，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

接下來我們來看看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系，先來看一個圖。

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，電源芯片就會出現打嗝現象。這個模式可以在輸出發生短路的情況下很好地保護芯片，保護穩壓管，一旦過流現象消除，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電路的硬件設計參數選擇標準

1.設置輸出電壓：先選擇適宜的R2，R2過小會導致靜態電流過大，從而導致加大損耗；R2太大會導致靜態電流過小，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，依據輸出電壓計算R1的值，R1=（（Vout-Vref）/Vref）*R2。

2.電感：電感的選擇要滿足直到輸出最小規定電流時，電感電流也保持連續。在電感選取過程中需要綜合輸出電流、紋波、體積等多個因素進行考慮。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，更高的串聯電阻和更低的飽和電流。一般在芯片的datasheet中會有相應的計算公式。

3.輸出電容：輸出電容的選擇主要是依據設計中所需要的輸出紋波的要求來進行選取。電容萌生的紋波：相對很小，可以忽略不計;電容等效電感萌生的紋波：在300KHz~500KHz以下，可以忽略不計；電容等效電阻萌生的紋波：與ESR和流過電容電流成正比，該電流紋波主要是和開關管的開關頻率有關，基本為開關頻率的n次諧波，為了減少紋波，讓ESR盡量小。

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