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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
  • 签到天数: 18 天

    [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。
    ' [! Q- d+ T3 f& U" g9 d2 s6 j, \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。) C, M: C+ B/ n0 }) j$ l

    * W4 w. K9 L5 _' q- f1 s* H+ x
    1 |% v, U; J. U; K$ e. k
    . S, _/ b" |0 c' h- T$ a/ q, A" N三种典型的DC/DC变换器框图
    ; q, @9 i% e$ g) _8 [% c* X, T8 J( ?+ h: u+ C
    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。
    & @! K" b/ ?' w9 e8 z5 t6 v8 ?9 ]3 ]# x
    工作效率4 H8 U8 O# |4 l3 v& |, b
    . N, ]1 P4 k7 C: p. b  W# |$ H
    ①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。
    ) T3 I* q8 x: B7 C: N
    6 D$ Q6 E6 g; _) I; x7 p: O②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 W. W5 x& [
    + [9 {' i' k6 d5 w9 J0 \
    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。8 w3 c# @4 e( S( f% y4 e
    - n- L, n. h$ J
    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)。. M$ V8 {4 U, k) S* H
    , t* x; ^6 @1 l
    安装尺寸
    $ t0 y( T  j8 b/ Z. e  @5 H' J9 v/ G7 E9 e
    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)。; N2 N3 S; r; @
    3 T: e# J$ @) z% T& j) a' G# H
    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。
      |9 C( q! {: T5 k7 n8 b, k) F' f" X( P1 ~; [+ _0 N6 r. F
    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。
    - H, Y) F7 I7 J# ^
    # u5 C0 p( m9 j# X7 _- m4 E最佳选择是:无电压调节或带电压调节电荷泵。
    2 a, J3 z- ~6 f8 h9 `; z: B% C( o1 b静态电流/ l' s; o( X* F6 Q% n7 r# i

    5 o; \/ i4 s' l% F; O①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。
    / q5 u! N& v* a9 K( M7 Y: V; H- i  Q" ]! S" s! j3 n! e, T  n
    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。
    & W7 X- e2 W8 W* U  ~  t; {9 E( x: ?5 {2 u
    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。
    2 C0 s: o4 G+ v1 X! K" [5 L* C& G6 U& w) b8 F# z: _& O$ 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。7 _8 o' S: q& ^" `( @

    ' R3 \8 O- N$ Q1 c: T最小工作电压
    . Y0 m, h* C% z/ U
    - a6 x' ?8 X! k( \# e2 A2 J' e①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。% z) R) Z! ~0 B+ {1 r0 l1 b
    ( l0 U3 `5 s' Z( J& r! s9 \
    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。
    , c# y: j$ c" p6 h) U9 _4 O5 f' v3 a) _! @" I, |
    最佳选择是:电感式DC/DC变换器。1 B/ g3 [, I8 e* |9 q
    8 S$ |, s4 \; |( d' a3 C0 y4 g& T
    产生的噪声
    3 b# A- a+ K/ A& @/ c* ?, o* Z, {' f1 C4 c) h/ d8 a
    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。
    - m* i5 E3 G" {6 O
    ' r0 B" Y  {# W7 L* }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。
    , `+ O) T% z! o9 L/ G% O. c  O5 H9 L* B; x& @
    最佳选择是:无电压调节或带电压调节的电荷泵。4 d: h. |  q7 i* M. y4 g* `
    集成度
    / Z4 D' j; ~1 _; m: ^; A2 z( Q" [. \1 W0 K: z
    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。# I0 s. ~  b3 e! u0 L
    , a5 D$ i" p3 P1 Y5 E
    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。
    " L/ S+ J, N2 c( W9 x
    ; |. h, s% `0 f2 d! _# \) {/ O③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。/ `' C' i  ^% A

    0 K& ~4 q* U# @" M最佳选择是:电感式DC/DC变换器。
    * M1 b/ w5 y, q' ?
    1 z' i% `( q7 \* x2 z  h: h+ C输出调节0 f; i$ _. i" ?; _
    ; o/ W* H; M" a- `9 L
    ①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。3 D) f. A) d9 F( ?# Z) o$ F  w. c

    ! v$ R  b1 W2 R7 Z& R( Q②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 L; T/ o4 m- v

    . M! E" s) s$ Z# b; e4 ~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。
    6 U. M$ k# Q8 c% H% r$ _" s
    3 n6 _* x0 U  F3 o0 b& R$ K- C& \最佳选择是:带电压调节的电荷泵。
    3 D3 @9 \6 k7 k0 ]  U8 G) S3 p1 r# U  P& N' n* g7 E2 P
    安装成本
    ; H& k. B: G2 W. ?6 ~# w
    " f9 a8 G% g8 A+ V# p4 X: }7 k9 v①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。
    % r- ~& O2 Q- |) d1 a6 p3 B/ }& X% i% i
    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。! J2 x" C, M0 I" U* P: s( \3 K/ y
    & k1 m! w6 D" m2 c, B
    ③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。# Z9 q. Q) O% U) ]: u# d; B' Y" l  [

    . x- n! Y% Q* l: V, @! }+ E! W( d1 }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。% t  E5 q0 ^- p9 J3 [, @8 }/ {
    * k( @7 K& n  d) \
    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

    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

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    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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