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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。) p& S2 v0 G; Q  z* |7 B
    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。
    / P& _" p; U) ]2 Q9 }3 U. \
    1 S$ |. u) P: z$ U! O) ^5 }% K6 C  ]: k2 g
    ; I) K: [. s2 `6 p6 T# P
    三种典型的DC/DC变换器框图* e, ?8 K" {* |; E' \

    - A# B) W$ H( n- {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。$ ?! t5 q" Z' D# m+ y; d
    9 n1 q8 l( x+ ]& X+ M
    工作效率
    ) r2 L: R  i) K& `. h1 K. c8 ?
    . _# T$ y  k6 |4 X①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。
    & T8 O0 ]3 l. B4 O8 J4 E  ?- q" F, U4 l0 [* `
    ②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。' }3 _; v; {3 `4 r

    ' L3 i/ v! @" h③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。
      q* N1 G) G& l- R1 a
    - [# l. Z+ s. o* i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)。
    # b; O6 j- ^# s: R; w
    2 d  v, ~# V. s安装尺寸9 P7 z: z; {! a& J
    + a9 v. N" w0 I6 F# q0 W# C
    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 H% N9 t" N! S0 \1 U7 ~8 F( Z& f2 l3 k, R
    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。
    1 k: W0 `) \! k- d& ]
    . b% R' L( L3 v6 ?% ~③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。" A, d3 t# m; w: D4 @
    2 _% E  m1 c% Y3 g
    最佳选择是:无电压调节或带电压调节电荷泵。9 v. X, f4 G, |1 i
    静态电流' ?) X# h' f/ y& Q0 S9 v5 k, ]+ p

    # N  K" |# x0 K! p7 R" I①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。
    * p$ v! J# J8 n3 {  {# `. I/ x+ F3 m4 W) r: q# A2 Y. W
    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。
    8 U: a9 W$ `4 N" C! g. {. ?, t
    9 h4 ]8 k; L  @8 r5 g③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。! V$ A9 M+ h, R4 K

    & i& q% R) D$ H最佳选择是:电感式DC/DC变换器,特别是频率调制(PFM)开关式。5 T3 s0 ^/ W/ _  Q

    . t; l5 X5 |3 \( L- e& S$ d最小工作电压
    3 r8 F; R0 x2 e4 U5 h' V! Z% s2 s0 N! Y  t+ V
    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。
    * d/ `* r$ n! [5 U% ]/ f* ^! c. T! B: Y0 X
    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。
      i4 ^- N1 ^8 _, @+ q( d8 {
    5 ?# ~$ l. ^4 L- {: y3 X5 Y最佳选择是:电感式DC/DC变换器。3 o# `0 N" u9 `2 d
    , R4 x  ]& O' h  e& D2 S; M
    产生的噪声
    ( x7 A7 P4 q7 _
    0 b9 I4 z2 _. q; W8 k# m+ p①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。9 K% X  I3 M8 z" n# C

    ( Q* J5 y6 Z2 p. K②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。
    ( e+ }7 X: A1 y) B! G6 D5 x* J+ u5 O9 g1 v
    最佳选择是:无电压调节或带电压调节的电荷泵。
    8 t. l: J& ~, _% m. R& W2 @集成度
    , E. T8 O" D# ]0 c+ E% w$ v; w- R
    ①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。) Z! c; H5 s; G& s

    " A% K/ A" K  f" G  \②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。
    ( {% b  X1 A9 h3 L+ G  \. ]8 B
    + m. B/ a/ x( b% L  @5 L3 i7 |/ g③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。1 x0 D8 r: i% A, }+ N6 U

    : G; m6 c0 _, Y, n3 L4 l最佳选择是:电感式DC/DC变换器。
    ; @6 P. t$ T5 s9 w3 K5 d! X
    ; A: F+ q  j# x, u7 y* B% \. o/ F) `输出调节
    4 g; _( U, t* W) P! v. G7 r+ J
    - E3 f) [5 I; D# a, v9 k4 X$ V①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。: Y( q8 D  a. I) [8 i! [

    % N' c, S' I9 y) v$ Y8 z% j②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。
      @0 p7 `5 H# W9 d* R8 i$ g2 c& K# W& o/ V' q
    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。  B0 |% I4 }, T- f# }
    + f1 `& {( k9 I' k& S
    最佳选择是:带电压调节的电荷泵。
    % ~* D2 Q/ _# H1 H$ F) A+ ^$ j
    ! q0 m- P5 J7 @; j/ A6 Z4 I9 a7 U$ _安装成本4 b$ {6 g0 h2 S, a; O- p5 z
    ; J5 V) F% {' K+ A
    ①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。4 f) f% I. O2 q; d; W
    # c" ?8 C' e+ j# M& H; ~" u7 K
    ②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。8 A1 H/ L" S6 |" @8 |6 I( R

    : X! h6 x) G4 v③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。& F$ D* ~# z! ~5 e; h
    . t( l3 B+ B7 F) {& Y
    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。- G$ P# P% o+ }* e4 T2 j. A8 C: V

    & b& q( B* A  |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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    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

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    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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