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教你如何选择最佳的开关式DC/DC转换器

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  • TA的每日心情
    无聊
    2022-12-27 15:01
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    [LV.4]偶尔看看III

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    1#
    发表于 2013-10-12 10:13 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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    x
    利用电容、电感的储能的特性,通过可控开关(MOSFET等)进行高频开关的动作,将输入的电能储存在电容(感)里,当开关断开时,电能再释放给负载,提供能量就是开关电源。其输出的功率或电压的能力与占空比(由开关导通时间与整个开关的周期的比值)有关。开关电源可以用于升压和降压。3 m- P+ l) u) i; Y
    DC/DC转换器是利用MOSFET开关闭合时在电感器中储能,并产生电流。当开关断开时,贮存的电感器能量通过二极管输出给负载。如下图所示。0 N5 z# r; \% h! _4 t. ?
    , f1 g! s8 ~' X8 B5 {. M7 Q7 h

    $ m" J" |5 w% e
    * g2 Z2 J$ b/ K三种典型的DC/DC变换器框图
    : Q  I' y: y/ t" p! H8 b
    & t  z; w( ~8 i1 e- n0 ^2 ^所示三种变换器的工作原理都是先储存能量,然后以受控方式释放能量,从而得到所需要的输出电压。对某一工作来讲,最佳的开关式DC/DC变换器是可以用最小的安装成本满足系统总体需要的。这可以通过一组描述开关式DC/DC变换器性能的参数来衡量,它们包括:高效率、小的安装尺寸、小的静态电流、较小的工作电压、低噪声、高功能集成度、足够的输出电压调节能力、低安装成本。# H% q9 F1 J+ P% q! m/ \3 W+ ^
    ) j% A: T* C% P) ]
    工作效率
    4 {+ C% O6 G" c& ?
    - Q) p! N9 |$ @0 f% ?6 T①电感式DC/DC变换器:电池供电的电感式DC/DC变换器的转换效率为80%~85%,其损耗主要来自外部二极管和调制器开关。
    ; I" I; ^# h0 T& {# K. z
    5 r) \& t$ e; y# p% u6 }. N②无电压调节的电荷泵:为基本电荷泵(如TC7660H)。它具有很高的功率转换效率(一般超过90%),这是因为电荷泵的损耗主要来自电容器的ESR和内部开关管的导通电阻(RDS-ON),而这两者都可以做得很低。
    ( O9 F# _9 S. n: z6 ^' ?* S& R8 b7 q9 b: H1 ]! R7 ~$ u  T' H1 Q
    ③带电压调节的电荷泵:它是在基本电荷泵的输出之后增加了低压差的线性调节器。虽然提供了电压调节,但其效率却由于后端调节器的功耗而下降。为达到最高的效率,电荷泵的输出电压应当与后端调节器调节后的电压尽可能接近。" w- P0 Z$ B& H! y1 S2 K
    6 R; K9 U3 m  M' t7 `  T
    最佳选择是:无电压调节式电荷泵(在不需要严格的输出调节的应用中),或带电压调节式电荷泵(如果后端调节器两端的压差足够小)。
    ( ~; b0 w4 x- J8 o/ p  g' T- U$ W4 m0 v. w' B3 h% ^; p
    安装尺寸5 s/ h8 ~- w: C& E2 Q  O
    - J1 p: o9 ]$ F' y' j& p% U
    ①电感式DC/DC变换器:虽然很多新型电感式DC/DC变换器都可以提供SOT封装,但它们通常仍然需要物理外形较大的外部电感器。而且电感式DC/DC变换器的电路布局自身也需要较大的板级空间(额外的去耦、特殊的地线处理、屏蔽等)。2 l; O/ ~' |7 |1 [
    9 Y. N3 n9 ^4 i5 W9 b1 i9 }4 \
    ②无电压调节的电荷泵:电荷泵不用电感器,但需要外部电容器。新型电荷泵器件采用SOP封装,工作在较高的频率,因此可以使用占用空间较小的小型电容器(1μF)。电荷泵IC芯片和外部电容器合起来所占用的空间,还不如电感式DC/DC变换器中的电感大。利用电荷泵还很容易获得正、负组合的输出电压。如TCM680器件仅用外部电容即可支持+2UIN的输出电压。而采用电感式DC/DC变换器要获得同样的输出电压则需要独立的两个变换器,如用一个变换器,就得用具有复杂拓扑结构的变压器。
    # X, H& z! x2 ^% F4 M
    ' F& h( @& B6 n1 N* [5 F6 ]5 z. r③带电压调节的电荷泵:增加分立的后端电压调节器占用了更多空间,然而许多此类调节器都有SOT形式的封装,相对减少了占用的空间。新型带电压调节的电荷泵器件,如TCM850,在单个8引脚50lC封装中集成了电荷泵、后端电压调节器和关闭控制。( Z; r  N$ y2 [# D
    + ]6 d" j) E# D& p2 \5 {, U
    最佳选择是:无电压调节或带电压调节电荷泵。+ _' I9 C# A% d" Y/ ?
    静态电流
    9 H- L6 `7 r! R3 b$ D, F  w' ^7 n/ E8 c
    ①电感式DC/DC变换器:频率调制(PFM)电感式DC/DC变换器是静态电流最小的开关式DC/DC变换器,通过频率调制进行电压调节可在小负载电流下使供电电流最小。& q6 i8 q$ x/ h/ w  j- F, {& D
    5 `6 n2 N/ C/ K
    ②无电压调节的电荷泵:电荷泵的静态电流与工作频率成比例。多数新型电荷泵工作在150kHz以上的频率,从而可使用1μF甚至更小的电容。为克服因此带来的静态电流大的问题,一些电荷泵具有关闭输入引脚,以在长时间闲置的情况下关闭电荷泵,从而将供电电流降至接近零。
    ! o% d8 `0 W; O/ C+ Z( ~5 O. u8 T4 A" {0 c  `
    ③带电压调节的电荷泵:后端电压调节器增加了静态电流,因此带电压调节的电荷泵在静态电流方面比基本电荷泵要差。% e$ c. ~0 Z$ _3 ]- x2 w

    9 R0 {/ m3 T4 W8 \最佳选择是:电感式DC/DC变换器,特别是频率调制(PFM)开关式。1 h; R/ g; s' g" ~; V5 ?

    & B3 u$ ?7 m3 X最小工作电压4 h& I2 s) d" C$ g
    6 {# {) a- G' H( D* n
    ①电感式DC/DC变换器:电池供电专用电感式DC/DC变换器(如TC16)可在低至1V甚至更低的电压下启动工作,因此非常适合用于单节电池供电的电子设备。3 I9 y/ h( o* h, R$ h, K
    7 U) J# J& G7 Y6 `/ f# |
    ②无电压调节的电荷泵/带电压调节的电荷泵:多数电荷泵的最小工作电压为1.5V或更高,因此适合于至少有两节电池的应用。) ]" i* X) F2 `3 @

    , h# C+ o2 m- }' n0 ]9 e最佳选择是:电感式DC/DC变换器。
    7 ^" Z% w1 A! q- V, b& u
    - w, D* ^& T; y1 \# }/ N产生的噪声
    % b1 h- R. k* }9 a' m7 ?4 s3 U$ [2 C
    ①电感式DC/DC变换器:电感式DC/DC变换器是电源噪声和开关辐射噪声(EMI)的来源。宽带PFM电感式DC/DC变换器会在宽频带内产生噪声。可采取提高电感式DC/DC变换器的工作频率,使其产生的噪声落在系统的频带之外。
    1 F% i7 ^0 H, J. _+ s0 T- M& y- j- i$ R& n- F1 W  _( y
    ②无电压调节的电荷泵/带电压调节的电荷泵:电荷泵不使用电感,因此其EMI影响可以忽略。泵输入噪声可以通过一个小电容消除。
    2 O: e+ F$ R2 |2 v% x0 F
    - p$ y% T6 ?, o. l  _最佳选择是:无电压调节或带电压调节的电荷泵。* F1 L7 M3 |9 A3 ^6 Y
    集成度
      ]1 ^9 C) p; U
    4 o* A/ U5 x4 R- v4 N, O①电感式DC/DC变换器:现已开发出集成了开关调节器和其他功能(如电压检测器和线路调节器)的芯片。如TC16芯片就在一个SO-8封装内集成了一个PFM升压变换器、LD0和电压检测器。与分立实现方案相比,此类器件提供了优异的电气性能,并且占用较小的空间。1 {$ y9 S0 t/ v- P" x2 f

    7 P) k& a. Z" M6 U; G2 v3 M②无电压调节的电荷泵:基本电荷泵,如TC7660,没有附加功能的集成,占用空间小。
    2 H: V  z4 l' ^, n; S$ `7 w% W$ G9 C) Z3 F/ L
    ③带电压调节的电荷泵:集成更多功能的带电压调节电荷泵芯片已成为目前的一种发展趋势。很明显,下一代带调节电荷泵的功能集成度将可与电感式DC/DC变换器集成芯片相比。
    # i' B3 K! `# \4 N3 Z- A: _3 E: a. i5 b" m  j
    最佳选择是:电感式DC/DC变换器。, y' `. ]  n2 c& p# J
    & I9 W. r; N- h! a- R8 B8 X5 T
    输出调节# e& j1 h, k- G0 o

    & J0 m2 L6 o# ~1 Q, O1 W' C①电感式DC/DC变换器:电感式DC/DC变换器具有良好的输出调节能力。一些电感式DC/DC变换器还具有外部补偿引脚,允许根据应用“精细调整”输出的瞬态响应特性。0 g, R1 t, Y& h2 @$ W6 C& }7 E# M1 s
    % g0 S9 I# P7 n% i, x
    ②无电压调节的电荷泵:此类器件输出没有电压调节,它们只简单地将输人电压变换为负或刀倍的输出电压。困此,输出电压会随着负载电流的增加而下降。虽然这对某些应用(如LCD偏置)并不是问题,但不适用需要稳定的输出电压的应用场合。' _8 ~4 L' }- F
    7 a, b$ I# |/ W/ q% O
    ③带电压调节的电荷泵:它通过后端线性电压调节器(片上或外部)提供电压调节(稳压)。在一些情况下,需要为电荷泵增加开关级数,以为后端调节器提供足够的净空间,这时就需要增加外部电容,从而会给尺寸、成本和效率带来负面的影响。但后端线性调压器可使带调节电荷泵的输出电压的稳定性与电感式DC/DC变换器一样。3 x% r0 r* K" u5 u5 {' d
    ; d8 q, U, i* N! p. X
    最佳选择是:带电压调节的电荷泵。
    / \, c5 ~' j1 [) ~
    - W' M# u* X! Y! m9 f4 ^安装成本
    $ x5 M) t1 `4 [, K- O' M4 x
    + z) @  b6 ]& S' l3 J①电感式DC/DC变换器:近年来采用电感式DC/DC变换器的成本逐渐下降,并且对外部元件的需求也变得更少了。但电感式DC/DC变换器最少需要一个外部电感、电容和肖特基二极管。二极管、电感,再加上相对价格较高的开关变换芯片,其总成本要比电荷泵高。
    * z  f2 g. M( F; M! g7 o0 u
    , L, X: v+ |5 Q$ i  ]; E②无电压调节的电荷泵:无电压调节的电荷泵比电感式DC/DC变换器便宜,且仅需要外部电容(没有电感),节约了板空间、电感的成本,以及某些情况下的屏蔽成本。
    % d% I& f4 P" G7 W
    : Q6 R& U( k" [' U* r③带电压调节的电荷泵:带电压调节的电荷泵的成本大约与电感开关式DC/DC变换器本身的成本相当。在一些情况下,可采用外部后端电压调节器以降低成本,但却会增加所需的安装空间和降低工作效率。
    ' g3 p9 A- Q9 [& t4 P# s0 `1 }+ P# m; c& K+ U
    最佳选择是:在不需要严格稳压的场合的最佳选择为无电压调节的电荷泵;若为对输出电压稳压有要求的场合,选择带电压调节的电荷泵和电感式DC/DC变换器的成本大致相当。
    , b, f7 ?9 Y9 K  m
    - d- ^; a# r6 ^# T/ K按照上述的最佳选择窍门运用于设计应用中,将会更有利于节省时间成本,提高效率。

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    1.jpg

    该用户从未签到

    3#
    发表于 2013-11-17 14:41 | 只看该作者
    不错 呵呵 挺好的
  • TA的每日心情
    开心
    2021-9-3 15:14
  • 签到天数: 1 天

    [LV.1]初来乍到

    4#
    发表于 2013-11-18 07:54 | 只看该作者
    电荷泵只适合输出电流很小的场合

    该用户从未签到

    5#
    发表于 2014-5-28 10:56 | 只看该作者
    不错 呵呵 挺好的

    该用户从未签到

    6#
    发表于 2014-10-26 15:49 | 只看该作者
    不错 呵呵 挺好的

    该用户从未签到

    8#
    发表于 2015-2-4 13:42 | 只看该作者
    学习了,说的很详细
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