基本介紹
- 中文名：DC/DC轉換器
- 屬於：開關電源晶片
- 種類：電荷泵；電感儲能DC-DC轉換器
- 所屬學科：電氣工程
基本信息,分類,原理,電荷泵,工作原理,倍壓模式,效率,電荷泵套用,電荷泵要點,電感式,工作原理,整流二極體,同步整流技術,電感器的選擇,輸入電容,輸出電容,拓撲結構,
基本信息
DC/DC是開關電源晶片。
開關電源，指利用電容、電感的儲能的特性，通過可控開關（MOSFET等）進行高頻開關的動作，將輸入的電能儲存在電容（感）里，當開關斷開時，電能再釋放給負載，提供能量。其輸出的功率或電壓的能力與占空比（由開關導通時間與整個開關的周期的比值）有關。開關電源可以用於升壓和降壓。
分類
DC/DC 轉換器為轉變輸入電壓後有效輸出固定電壓的電壓轉換器。DC/DC 轉換器分為三類：升壓型DC/DC 轉換器、降壓型DC/DC 轉換器以及升降壓型DC/DC 轉換器。
原理
輸出電壓通過分壓電阻與基準電壓作比較，從而形成一個反饋。當輸出電壓減小並低於基準電壓，比較器輸出發生翻轉並觸發振盪電路開始工作。振盪電路輸出一個固定時間的脈衝，用於控制MOS管的導通。反之則MOS管將被截止。其中導通由振盪器控制，而截止時間取決於負載。按這樣的方法，即可控制輸出電壓。
電荷泵
工作原理
電荷泵是通過外部一個快速充電電容（Flying Capacitor），內部以一定的頻率進行開關，對電容進行充電，並且和輸入電壓一起，進行升壓（或者降壓）轉換。最後以恆壓輸出。
電荷泵可以依據電池電壓輸入不斷改變其輸出電壓。例如，它在1.5X或1X的模式下都可以運行。當電池的輸入電壓較低時，電荷泵可以產生一個相當於輸入電壓的1.5倍的輸出電壓。而當電池的電壓較高時，電荷泵則在1X模式下運行，此時負載電荷泵僅僅是將輸入電壓傳輸到負載中。這樣就在輸入電壓較高的時候降低了輸入電流和功率損耗。
倍壓模式
以1.5x mode為例講解：電壓轉換分兩個階段完成。
第一階段
在第一階段， C1和C2串聯。假設C1=C2，則電容充電直到電容電壓等於輸入電壓的一半
VC1+-VC1-=VC2+-VC2-=VIN/2
第二階段
在第二階段，C1和C2並聯，連線在VIN和VOUT之間。
VOUT=VIN+VIN/2=1.5VIN
效率
電荷泵的效率是根據電荷泵的升壓模式，輸入電壓和輸出電壓所決定，如果是以2倍壓模式進行升壓，那么它的效率為Vout/2Vin。輸入電壓越小，效率越高。
電荷泵套用
電荷泵要點
選用電荷泵時考慮以下幾個要素：
· 轉換效率要高
· 靜態電流要小，可以更省電；
· 輸入電壓要低，儘可能利用電池的潛能；
· 噪音要小，對手機的整體電路無干擾；
· 功能集成度要高，提高單位面積的使用效率，使手機設計的更小巧；
· 足夠的輸出調整能力，電荷泵不會因工作在滿負荷狀態而發燙；
· 封裝尺寸小是手持產品普遍要求；成本低，包括周邊電路少占PCB板面積小，走線少而簡單；
· 具有關閉控制端，可在長時間待機狀態下關閉電荷泵，使供電電流消耗近乎為0。
電感式
它是通過電感不斷的儲能/放電，最後達到穩定電壓/電流輸出的轉換器。根據輸出電壓與輸入電壓的高低比較，可以分為boost（輸出電壓遠高於輸入電壓）和buck（輸出電壓低於輸入電壓）。它們的拓撲結構不同。
Boost一般用於lcd串聯背光碟機動以及oled驅動，一般使用得輸出電壓在十幾伏。
Buck 用於多媒體協處理器的核電壓。
工作原理
上圖降壓轉換器最基本的電路：是利用MOSFET開關閉合時在電感器中儲能，並產生電流。當開關斷開時，貯存的電感器能量通過二極體輸出給負載。 輸出電壓值與占空比（開關開啟時間與整個開關周期之間的比 ）有關。
整流二極體
該二極體必須具有與輸出電壓相等或更大的反向額定電壓。其平均額定電流必須比所期望的最大負載電流大得多。其正向電壓降必須很低，以避免二極體導通時有過大的損耗。此外，因為MOSFET工作於高頻開關模式，所以需要二極體具有從導通狀態到非導通狀態時，很快恢復。反應速度越快，DC/DC的效率越高。
肖特基二極體(而非傳統的超快速二極體)具有更低的正向電壓降和極佳的反向恢復特性。
同步整流技術
在同步降壓轉換器中，通過用兩個低端的MOSFET來替換肖特基二極體可以提高效率（圖1b）。這兩個MOSFET必須以互補的模式驅動，在它們的導通間隙之間有一個很小的死區時間（dead time），以避免同時導通。同步FET工作在第三象限，因為電流從源極流到漏極。
電感器的選擇
隨著開關的打開和閉合，升壓電感器會經歷電流紋波。一般建議紋波電流應低於平均電感電流的20%。電感過大將要求使用大得多的電感器，而電感太小將引起更大的開關電流，特別在輸出電容器中，而這又要求更大的電容器。
電感值的選擇取決於期望的紋波電流。如等式1所示，較高的VIN或VOUT也會增加紋波電流。電感器當然必須能夠在不造成磁芯飽和(意味著電感損失)情況下處理峰值開關電流。
由公式可以得出：
（1） 開關頻率越高，所需的電感值就可以減小；
（2） 電感值增大，可以降低紋波電流和磁芯磁滯損耗。但電感值的增大，電感尺寸也相應的增大，電流變化速度也減慢。
為了避免電感飽和，電感的額定電流值應該是轉換器最大輸出電流值與電感紋波電流之和。
將上述所有耗損分量組合在一起構成串聯耗損電阻(Rs)。耗損電阻主要用於定義電感器的品質。然而，我們無法用數學方法確定Rs，一般採用阻抗分析儀在整個頻率範圍內對電感器進行測量。
電感線圈電抗(XL)與總電阻(Rs)之比稱為品質因素Q，參見公式(2)。品質因素被定義為電感器的品質參數。損耗越高，電感器作為儲能元件的品質就越低。
品質—頻率圖可以幫助選擇針對特定套用的最佳電感器結構。如測量結果圖2所示，可以將損耗最低(Q值最高)的工作範圍定義為一直延伸到品質拐點。如果在更高的頻率使用電感器，損耗會劇增(Q降低)。
良好設計的電感器效率降低微乎其微。不同的磁芯材料和形狀可以相應改變電感器的大小/電流和價格/電流關係。採用鐵氧體材料的禁止電感器尺寸較小，而且不輻射太多能量。選擇何種電感器往往取決於價格與尺寸要求以及相應的輻射場/EMI要求。
輸入電容
因為buck有跳躍的輸入電流，需要低ESR的輸入電容，實現最好的輸入電壓濾波。輸入電容值必須足夠大，來穩定重負載時的輸入電壓。如果用陶瓷輸出電容，電容RMS紋波電容範圍應該滿足套用需求。
陶瓷電容具有低ESR值，表現出良好的特性。並且與鉭電容相比，陶瓷電容對瞬時電壓不敏感。
輸出電容
輸出電壓紋波是由輸出電容的ESR引起的電壓值，和由輸出電容沖放電引起的電壓紋波之和
