如何利用DC/DC电源变换器实现开关电源的应用设计？

DC-DC电源芯片是一种用于控制和调节直流电压的电路，为各种电子系统提供稳定可靠的DC电压。它们在移动设备、通信产品、汽车、医疗仪器和各种工业领域等各种应用中都有广泛的用途。随着电子产品复杂度和功能性的不断提升，DC-DC电源芯片的重要性也在不断增加。

目前市场上有各种不同种类和尺寸的DC-DC电源芯片。下面我们将介绍其中的一些。

1. 线性稳压器型

线性稳压器型DC-DC电源芯片通过将输入电压降低到所需的输出电压来保持稳定电压输出。这类芯片能够提供高精度的输出电压，并能快速响应负载变化，但效率较低，不适合在需求功率较高的应用中使用。

2. 拉升型DC-DC电源芯片

拉升型DC-DC电源芯片也称为升压芯片，它们可以将低电压转换为高电压输出。这类芯片具有高效率和灵活性，因此在电池供电设备、LED照明、数码摄像机等电子产品中被广泛应用。

3. 降压型DC-DC电源芯片

降压型DC-DC电源芯片可以将高电压降低为所需的输出电压。这类芯片是一种高效、低成本的电源解决方案，在便携式设备、嵌入式系统、机器人等应用中得到广泛应用。

4. 带负载开关的DC-DC电源芯片

带负载开关的DC-DC电源芯片也称为SWITCH-MODE电源，具有高效率和低损耗的优点。这类芯片可以将输入电压转换为需要的输出电压，而且还具有快速响应和较大容量的特点，因此在高功率需求的领域如工业自动化、RF通讯等领域得到广泛应用。

5. 可编程DC-DC电源芯片

可编程DC-DC电源芯片是一种新型的芯片，它可以通过编程来调整电源输出电压和电流。这类芯片适合在需要频繁调节电压的场合，如变频器、无线电通信、音视频处理等应用中使用。

以上是目前市场上常用的DC-DC电源芯片类型。当然，各类型号的芯片在不同应用下会有不同的特点和优点，因此在应用时需要选择合适的芯片。

除了芯片类型，芯片制造商也是影响芯片质量和性能的因素。目前市场上有不少知名的DC-DC电源芯片厂商，如TI、ADI、ST及ON等，它们的电源芯片产品质量一般视为比较好的。

总之，DC-DC电源芯片在各种电子产品中都扮演着重要的角色。芯片种类的选择要符合实际应用的需求，这样能够确保产品的稳定性和可靠性。同时也需要选择良好的品牌厂商，来确保产品的品质和性能。

1.同步和异步整流

同步：同步整流是采用导通电阻极低的专用功率MOS，来取代整流二极管以降低整流损耗。它能大大提高DC-DC变换器的效率并且不存在由肖特基势垒电压而造成的死区电压。功率MOS属于电压控制型器件，它在导通时的伏安特性呈线性关系。用功率MOS做整流器时，要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步(本质是直流转“交流”，“交流”再平滑为直流)才能完成整流功能，故称之为同步整流。

异步：只有一个MOS管(或者说开关管)续流元件是二极管这种类型就属于异步整流。

图6-1：异步降压和同步降压

在应用中上下管都是MOS管就是同步的，只有一个上管的开关的就是非同步的，在主功率那一级中的功率开关管是我们常见的晶体管，而续流二极管变成了开关管，那么这个开关管就叫同步场效应管。一个栅极半桥驱动控制器，外围加上上下两个DrMOS管，那么上管就是功率管，下管是同步的场效应管，如此就可以看出它是一个同步结构的Buck电路。

2.同异步整流的区别

图5-2：同步和异步整流电流路径

对于异步整流，当降压比高时，续流二极管的导通时间长，而如果Vout低，整体损耗比例会因为续流二极管的VF而变大。并且电流通过二极管只朝一个方向流动，成为不连续工作产生振铃。对于同步整流，轻负载时，电感电流有时会变为0A，电流可以通过MOS逆流，以维持并稳定连续工作。

如下图5-3是异步降压型，当输入电压为5V，输出电压为1V，振荡频率为1MHZ，不连续工作时的波形图：电流通过二极管只朝一个方向流动，成为不连续工作产生振铃。

图5-3：异步产生的振铃现象

图5-4：同异步电流Id

异步整流的损耗=VF×Iout×(1-ON Duty)

同步整流ON时的损耗=Iout²×Ron×(1-ON Duty);Ron：下管SW的导通电阻

假设Vin=5V，Vout=1V，Iout=2A，那么异步整流二极管的损耗为：P=0.5×2×(1-0.2)=0.8W，同步整流MOS的损耗为P=2×2×0.05×(1-0.2)=0.16W，可见电流越大，损耗差别越大。

DC/DC电源指的是直流转直流的电路，有升压降压两种电路，按理来说，LDO也是DCDC电源，但行业内只认为以开关形式实现的电源为DC/DC电源。

一，DC/DC基本拓扑

Buck、Boost型

电感电压伏秒平衡定律

一个功率变换器，当输入、负载和控制均为固定值时的工作状态，在开关电源中，被称为稳态。稳态下，功率变换器中的电感满足电感电压伏秒平衡定律：对于已工作在稳态的DC/DC功率变换器，有源开关导通时加在功率电感上的正向伏秒一定等于有源开关截至时加在该电感上的反向伏秒。

1. BUCK降压型

先来看一下原理图

BUCK电路原理和信号转变过程

当PWM驱动高电平使得NMOS管S1导通，忽略MOS管的导通压降，电感电流呈线性上升，此时电感正向伏秒为：V*Ton=(Vin-Vo)*Ton

当PWM驱动低电平使得NMOS管S1截至时，电感电流不能突变，经过续流二极管形成回路(忽略二极管压降)，给输出负载供电，此时电感电流下降，此时电感反向伏秒为：V*Toff=Vo*(Ts-Ton)

根据电感电压伏秒平衡定律可得：(Vin-Vo)*Ton=Vo*(Ts-Ton)

即 Vo=D*Vin (D为占空比)

2.BOOST升压型

和BUCK电路类似的分析方法，当MOS管导通时，电感的正向伏秒为：Vin*Ton;当MOS管截至时，电感的反向伏秒为：(Vo- Vin)*(Ts-Ton)

根据电感电压伏秒平衡定律可得：Vin*Ton=(Vo- Vin)*(Ts-Ton)

即 Vo=Vin/(1-D)

matlab仿真图：

matlab仿真图

仿真Vout升压过程

3.同步整流技术

由于二极管导通时至少存在0.3V的压降，因此续流二极管D所消耗的功率将会称为DC/DC电源主要功耗，从而严重限制了效率的提高。为解决该问题，以导通电阻极小的MOS管取代续流二极管。然后通过控制器同时控制开关管和同步整流管，要保证两个MOS管不能同时导通，负责将会发生短路。

二、DC/DC电源调制方式

DC/DC电源属于斩波类型，即按照一定的调制方式，不断地导通和关断高速开关，通过控制开关通断的占空比，可以实现直流电源电平的转换。DC/DC电源的调制方式有三种：PWM方式、PFM方式、PWM与PFM的混合方式。

1.PWM(脉冲宽度调制)

PWM采用恒定的开关频率，通过调节脉冲宽度(占空比)的方法来实现稳定电源电压的输出。在PWM调制方式下，开关频率恒定，即不存在长时间被关断的情况。

优点：噪声低、效率高，对负载的变化响应速度快，且支持连续供电的工作模式。

缺点：轻负载时效率较低，且电路工作不稳定，在设计上需要提供假负载。

2.PFM(脉冲频率调制)

PFM通过调节开关频率以实现稳定的电源电压的输出。PFM工作时，在输出电压超过上阈值电压后，其输出将关断，直到输出电压跌落到低于下阈值电压时，才重新开始工作。

优点：功耗较低，轻负载时，效率高且无需提供假负载。

缺点：对负载变化响应较慢，输出电压的噪声和纹波相对较大，不适合工作于连续供电方式。

三、DC/DC芯片的内部构造

接下来我们来看看DC/DC电源芯片内部的单元模块，并且给大家看看基本拓扑与电源芯片的联系，先来看一个图。

一款电源背光IC的内部原理框图

1.Vref&Error Amp基准电压与误差放大器

误差放大器的作用就是将反馈电压(FB引脚电压)与基准电压(200mv)的差值进行放大，然后再用该信号去控制PWM输出信号的占空比。

2.Thermal Shutdown 温度保护：当温度高于限定值，芯片停止工作。

3.soft start软启动电路：用于电源启动时，减小浪涌电流，使输出电压缓慢上升，减小对输入电源的影响。

四、DC/DC电路的硬件设计参数选择标准

1.设置输出电压：先选择合适的R2,R2过小会导致静态电流过大，从而导致加大损耗;R2太大会导致静态电流过小，而导致FB引脚的反馈电压对噪声敏感，一般在数据手册中有推荐值范围参考。选定R2，根据输出电压计算R1的值，R1=((Vout-Vref)/Vref)*R2。电压选定以后，开关电源会自动调节占比总，取得我们想要的电压。

2.电感：电感的选择要满足直到输出最小规定电流时，电感电流也保持连续。在电感选取过程中需要综合输出电流、纹波、体积等多个因素进行考虑。较大的电感将导致较小的纹波电流，从而导致较低的纹波电压，但是电感越大，将具有更大的物理占用面积，更高的串联电阻和更低的饱和电流。电感感值越小，开关电源PWM信号的频率就越高，一般开关电源很少有好过10MHz的开关频率，大部分在100K~1MHz之间，所需要的功率电感值在2.2uH~22uH之间。

3.输出电容：输出电容的选择主要是根据设计中所需要的输出纹波的要求来进行选取。电容产生的纹波:相对很小，可以忽略不计;电容等效电感产生的纹波:在300KHz~500KHz以下，可以忽略不计;电容等效电阻产生的纹波：与ESR和流过电容电流成正比，该电流纹波主要是和开关管的开关频率有关，基本为开关频率的n次谐波，为了减少纹波，让ESR尽量小。需要在开关电源输出端增加pF级电容，减少百兆级噪声的干扰。