DCDC基础知识

DC-DC基础知识1.1介绍电源无处不需几乎所有的电子系统都需要恒压电源或者恒流电源什么是DC-DC变换器？2电池电源负载DC-DC变换器太阳能电池工业电源微处理器放大器数据转换器另一级变换器电阻器另一个转换器DC-DC变换器是用于提供DC电源的电路变换器的类型•线性型–从电源向负载连续输送功率–传输能量器件（如晶体管、场效应管）其负责调节从电源至负载的电流流动）工作于线性区•开关电源型–以脉宽方波的形式从电源向负载输送功率–开关元器件周期性的开通和关断（根据控制技术不同有定频,变频,混合型）3+–VrefVoutVinVinVout+-SwitchersLCL-CComponentsD2D变换器特性•系统基本要求：输出电压、额定电流、输入电压范围•效率：轻载，满载，甚至整个负载范围效率曲线•稳态特征：稳压精度•瞬态响应：输入线调整率，负载调整率等•功率密度：尺寸，布局•成本、温升…4线性稳压器5应用•要求极低纹波和噪声的射频或高精度模拟（测量非常小的电压）电路•VIN和VOUT的压差较小的应用或者压差大电流小•需要一个电压精度比较高的应用•要求针对负载的快速变化实现快速瞬态响应的FPGA或多内核处理器缺点•在VINVOUT的情况下效率偏低，因而需要使用一个较大的供电电源，效率=Vo/Vin•利用稳压器产生功率(VIN–VOUT)*IOUT通过稳压器耗散，通常需要一个散热器•VOUT将始终低于VIN优点•低输出纹波和噪声•面对大的负载变化，可在VOUT上实现快速瞬态响应•低成本（简单，外部器件少，多用于小功率）•极少的外部组件使得线性稳压器易于设计•由于线性稳压器不工作在开关模式，不会有开和关的电压电流跳变，无噪声源，无需担心EMI问题•易于实现短路保护Vref+-误差放大器栅极驱动能量传输元件+-负载5V3.3V电感储能型开关电源6应用•要求高效率（输入功率与输出功率之差极小）的应用•具有极高环境温度的应用（例如：工业和汽车）•VIN高于、等于、小于VOUT负压出的应用（此拓扑正压出需隔离，或者由升压变换器变换为Vo负极加于输入的正极)•高功率密度场合•要求高输出功率的应用缺点•需要将电流周期性通过开关管，电压产生周期性的尖峰震荡，并且电流通过电感，因此会：–产生电磁干扰(EMI，DM，CM，RFI）–导致输出对负载瞬变的响应速度减慢–产生较高的输出纹波和噪声•更多的外部组件和设计变量使开关电源难于设计优点•由于稳压是通过将能量转入电感器或从电感器转出来完成的（而不是通过稳压器来消耗功率），因此：–可获得较高的效率–通过稳压器耗散的功率较低，故只需一个较小的散热器即可。–开关电源拓扑允许VOUT高于、低于或等于VIN–高功率/cm2–可允许较宽的输入电压范围•可提供隔离（利用变压器转为反激变换器）•可提供多个输出（利用变压器多绕组输出）升降压型负压输出变换器为例VINVOUT电荷泵7应用•需要一个低输出电流的应用•具有中等的输入-输出电压差的应用•存在空间限制的应用缺点•将电容器接入电路及从电路接出会产生电磁干扰(EMI)•由于电荷泵的输出取决于电容器的充电和放电，因此其电流供应能力受到限制优点•中等效率•由于电荷泵将电容器两端的电压接入输出端及从输出端接出，因此：–无需电感器–VOUT可高于、低于和等于VIN•较少的组件使电荷泵更易于设计Q1Q3Q2Q4CFLOAD+VINCoVo+-IoVCF+电源变换器比较•变换器类型的选择取决于电源设计的优先考虑因素。8线性稳压器开关稳压器电感性充电泵效率Vo/Vin一般偏低80至95%轻载效率低75至85%参考纹波非常低低中等EMI噪声非常低中等低PCB面积非常小最大中等成本最低最高中等总结•DC-DC变换器的类型•变换器的基本特性•变换器简单比较9DC-DC基础知识1.2线性稳压器什么是线性稳压器？•线性稳压器是一种无需使用开关元件而能提供一个恒定电压输出的DC-DC转换器。•线性稳压器因其低成本、低噪声及简单易用等特性而在众多应用中得到了非常广泛的使用。•但是，线性稳压器也存在着效率有限以及不能提升电压（使VoutVin）的缺点。2缺点优缺点3优点•低效率，特别是当Vin-Vout电压差很大时•热问题–面对高功率和/或大压差电压，将会由于此类稳压器的固有损失而产生大量的热量•Vout必须低于Vin•低输出纹波和噪声，无EMI问题（因为没有开关切换操作）•低成本•简单–所需的外部组件极少，易于配置和设计•面对大的负载阶跃，可在Vout上实现快速瞬态响应•易于实现短路保护线性稳压器的工作原理是什么？•线性稳压器和输出阻抗一起形成了一个分压器网络。•线性稳压器的作用就像受控的可变电阻器，其可根据输出负载自我调节以保持一个稳定的输出。4-+压降电压•压降电压–为使线性稳压器处在稳压器的指定工作范围之内，VIN与VOUT之间可接受的最小压差。5线性稳压器的类型•线性稳压器中的元件可以是双极型晶体管或MOSFET。不同的配置将产生不同的压降电压•双极型线性稳压器具有较高的压降电压，并能支持较高的输入电压且拥有更好的瞬态响应。•MOSFETLDO能支持非常低的压降、低静态电流、改善的噪声性能和低电源抑制。6有关LDO压降的更多信息•在LDO数据表中，只规定了最大输出电流条件下的压降。在其他的工作条件下，压降可以通过计算求出。•LDO中使用的FET工作于线性区。FET在饱和线上具有最小的电阻。LDO不能在饱和线的左侧区域中工作。7其他的重要规格•静态电流–由稳压器所消耗且不流向输出负载的电流。–该规格指标对于需要始终保持运行的应用（如基带、实时时钟等）很重要。•电源抑制比(PSRR)–已调输出电压纹波与输入电压纹波之比。–该规格指标对于具有高噪声限制要求的应用（如低噪声放大器、音频、RF和无线等）很重要•基带噪声–某个特定频率范围内的总噪声能量–该规格指标对于具有高噪声限制要求的应用（如PLL、TCXO、RF和无线等）很重要8LDO的选择9应用低Iq低压降高PSRR低噪声高电流注释LNA、PLL是是定义了系统噪声底层值。需要低噪声的LDO基带–数字是始终保持接通基带–模拟是是是始终保持接通。需要抑制输入纹波和低压降TCXO是是在中频(IF)部分使用，用于在系统中实现低噪声实时时钟是始终保持接通音频是是是高PSRR（在20Hz至200kHz频率范围内）总结•线性稳压器介绍•线性稳压器的类型•LDO的压降•LDO选择过程中的考虑因素10DC-DC基础知识1.3开关稳压器什么是开关稳压器？•开关稳压器是一种采用开关组件输送功率的DC-DC转换器。•它可提供高电源转换效率和设计灵活性2VinVout+-SwitchersLCL-CComponents缺点优缺点3优点•开关操作会产生较高的输出纹波和噪声•缓慢的瞬态响应•高复杂性（因为涉及更多的外部组件和设计变量）•高效率•优良的热性能•高功率密度•允许宽输入电压范围•Vout可以低于或高于Vin•可利用变压器提供隔离•可利用变压器提供多个输出开关稳压器的工作原理是什么？•电感负责储存能量及向输出负载释放能量；电感根据开关管的开通从输入端获得能量。•降压型转换器实例：–当切换至位置1时，电感器将储存能量；当切换至位置2时，电感器将释放能量–电感器上的平均电压为零：D(Vin-Vo)-D’Vo=0=Vout=D*Vin4D=占空比（开关处于为L充电之位置的时间百分比）D’=1-D基本拓扑•三种基本的直流开关变换器拓扑：降压、升压和升降压5VINVOUTVINVOUTVINVOUT降压升压降压-升压Vout=D*VinVout=Vin/(1-D)Vout=-DVin/(1-D)同步与非同步6非同步降压同步降压非同步1.在输出电流变化的情况下，二极管压降相对较恒定（VfvsIf）2.效率偏低3.成本较低4.比较适宜较高的输出电压同步1.MOSFET具有较低的压降2.更高效3.需要额外的控制电路确保死区和下管驱动信号4.成本较高Q1LC0D1Q1LC0Q2隔离式与非隔离式7•隔离式变换器在输入和输出之间没有电流回路，原副边不同地。•变压器通过磁场将能量从初级耦合至次级•隔离式变换器通常在需要提供初级至次级不同地，高可靠性、防雷、耐高压等，如隔离的医疗电源•并非标准负载点电源（POL）解决方案所常用具有功率因数校正(PFC)功能的初级侧开关模式电源AC输入变压器耦合横跨隔离边界的信号反馈回路通常需要一个光耦合器做隔离控制器与稳压器•控制器–分立式MOSFET–负责提供控制功率级所需的“智能”–设计更加精细复杂–可全面控制FET选择、开关频率、过流、补偿、软起动–可通过优化设计调整使电源满足您的特殊需求•全集成型稳压器–集成型开关–“即插即用型”设计–输出滤波器组件的选择范围受限–对于功能性的控制受限•部分集成型稳压器–可提供全部或部分特性集，内部或外部补偿–内部功率FET、外部同步FET或箝位二极管–对于频率、过流、软起动等功能的控制受限–可提供较宽的输出滤波器组件选择范围8总结•开关稳压器介绍•开关稳压器的工作原理•开关稳压器的类型–基本拓扑–同步与非同步–隔离式与非隔离式9DC-DC基础知识1.4电荷泵稳压器什么是电荷泵稳压器？•电荷泵稳压器是一种只通过电容器的交替式充电和放电来输送功率的开关稳压器。•它适合于具有低负载电流及中等输入–输出电压差的应用2Q1Q3Q2Q4CFLOAD+VINCoVo+-IoVCF+缺点优缺点3优点•开关操作会产生较高的输出纹波和噪声•输出电流能力受限于电容器•无需电感器，尺寸较小•中等效率，高于线性稳压器•Vout可以高于或低于Vin•所需的组件较少，因而使得充电泵设计的难度和成本有所下降电荷泵的工作原理是什么？•电容器连接利用开关来改变，从而达到控制充电和放电的目的•开关S1、S3和S2、S4以互补的方式切换：–S1、S3导通，S2、S4断开，充电–S1、S3断开，S2、S4导通，放电•通过反转输出至地的连接，单位增益变换器将变为负增益反相器4单位增益反相增益电压倍增器(倍压电路）•下面所示的电压倍增器电路在拓扑中仍然具有单个电容器，只是连接有所不同•4个开关的切换依然不变–S1、S3导通，S2、S4断开，增益相位–S1、S3断开，S2、S4导通，公共相位•不过，在公共相位中，输入电源仍然连接至电容器：Vout=Vc+Vin=2Vin5电压倍增器通过交换Vin和Vout，相同的倍增器电路将产生原先一半的增益更多的增益组合•在充电泵中内置了两个电容器，通过改变连接组合可产生许多不同的增益•下图示出了两个电容器的一些连接配置以及所能实现的最终增益：6针对所有增益的相同公共相位连接*假设C1=C2电荷泵稳压•通过增设一个后置稳压器级，充电泵将能够实现精细的输出电压7•而且，还可以控制开关阻抗以使其实际上起一个后置稳压器的作用–Rout是有效输出阻抗，包括开关阻抗(Rsw)及开关电容器阻抗1/(2Pi*Fsw*Cf)–通过控制Fsw或Rsw可完成输出电压的精细调节电荷泵稳压•控制频率：脉冲-频率调制(PFM)–通过跳过不需要的脉冲以保持输出电压的恒定–优点：非常低的静态电流、较高的效率–缺点：较高的输出电压纹波、频率发生变化•控制电阻：恒定频率稳压（PWM）–通过改变内部开关的电阻来调节输出–优点：低电压纹波、固定频率–缺点：高静态电流8总结•电荷泵稳压器介绍•倍压电路的工作原理和增益配置•电荷泵稳压实现9DC-DC基础知识1.5变换器控制什么是变换器控制系统？•由于在电路中实现了闭环控制系统，因此变换器能够在各种不同的条件下提供一个恒定的电压输出•简单的控制系统具有一条从输出至输入的反馈路径–系统增益是受控输出与基准输入之比：没有反馈路径H时，它是开环系统，增益为G；具有反馈路径H时，它是闭环系统，增益为G/(1+G*H)2G*H被称为环路增益（传函开环增益）控制系统的工作原理是什么？3波特图(BodePlots)•控制系统的分析常常在“频域中的增益大小和相位”曲线图（称为“波特图”）中进行。•控制系统可以