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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
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    2022-12-27 15:01
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    [LV.4]偶尔看看III

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    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。( U- [) g4 k% x0 \9 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。9 \  i# G9 Z/ L' D1 x

    + v2 n4 h" X7 @
    ; c. R$ |. ?$ h; M* Z/ P
    5 s6 z0 y$ A: L* \三种典型的DC/DC变换器框图6 N2 [* ~! K4 S7 y- a. k) o

    2 e* w) Z: G8 {* r$ u. Z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。
    & g& d2 k& v% W0 C0 n; x4 r
    % i! d7 S3 k" X. C工作效率
    8 f' i" s' x1 g; T$ R) j/ F, u9 O+ s0 _9 N. F3 C6 V6 W) A
    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。( r2 X: w! @) i9 b
    ; r6 `' u- G  r: p4 j2 ~1 m9 y0 r, z
    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。
    5 q& c3 f  K3 M8 q
    9 H$ B( q3 ^; u" g1 d: h1 _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。
    7 T& p' j" ]$ L% R, F* j' H- {8 j4 H; I' ^5 Y
    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)。
    . s) ~6 c7 \. a' T6 ]1 W7 x8 v' J4 E: [6 P' e
    安装尺寸, Q1 D8 i0 i) n8 m, H2 {
      o$ S: w/ \1 u0 s7 g
    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)。
    7 Q/ N& d/ J( Z- g6 f6 T' O5 |2 W" y% j$ T! `5 c" a( f
    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。
    ; q- l$ F' \3 j* W2 J7 G* \9 f+ D; o0 h! B% s1 S
    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。7 l' v8 U/ D$ u* r

    0 P, P$ c  k$ c  g2 _最佳选择是:无电压调节或带电压调节电荷泵。
    8 J1 V5 x& L' i% a静态电流
    9 V6 n+ {4 x4 D' O& Q( O) m; J: u' h9 Y. S! g+ `# M$ E
    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。8 t0 I" W1 O9 R# L* [6 ?# _+ n* J
    : i5 {& J! P# c7 {6 X% T; j0 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。' d1 N% u; `: v4 H/ q" A' W
    : b6 K' F8 i3 e' I7 r
    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。" o: y9 ?& L; q

    ; U$ L; ]: e; m! d最佳选择是:电感式DC/DC变换器,特别是频率调制(PFM)开关式。
    , @- [* g* s/ r! ?
    8 y) v4 ^* v2 X$ |+ p9 P* ]/ m最小工作电压% s  U, r: C9 |' \0 i: o

    : `! C1 d: N/ y7 \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。9 x; S; U( t5 `( J

    3 S; u  ^9 L$ \) z②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。' `( e' W* V6 D! P8 X* p

    6 v* j5 c1 b2 I3 {: S2 W* i最佳选择是:电感式DC/DC变换器。" {# K) _& L7 i# [8 C" ]. I
    ( v; u' e7 f8 i( L
    产生的噪声
    - G4 |$ L! I6 x, l4 _- e
    9 U; ?& K5 m; K①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。( j* e: L4 ^" R

    / `) N: r3 R' U2 ?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。
    1 y6 t9 ]& u, R& d; u5 I5 m# W1 H7 v' Y8 Q
    最佳选择是:无电压调节或带电压调节的电荷泵。
    3 D0 U) Z3 ?3 e& \0 `3 P$ H集成度* N/ U7 J# `2 ^: ~

    2 K' t! J* C3 F# K$ [% f% R% z: y①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。  y9 ?4 H, M, Y1 M8 ]  o

    0 V9 g  o" Z7 M1 U②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。/ R, z# f' b, o3 n, h' Y/ \

    ; m" C& G+ y* B# r+ y③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。
    ; {' s# x7 m+ T; p) q! U/ b; ?) D( m! }* Q4 L$ q
    最佳选择是:电感式DC/DC变换器。$ J' Y+ E( m* N/ ^) b
    # g, J# a; _/ |4 Y4 ^" A* ?/ Z
    输出调节
      F# y' t  q# I5 J; b; |$ Y' l" X1 w2 `1 _
    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。
    0 F2 d8 D0 X0 y. u1 n8 _
    ( ^3 D- D: d0 e" s, M②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。
    ' o! W) Z1 Y* ^; N. t, G' V( {8 J! k
    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。  M. Q4 l- c" J# u0 l! Y( ?- B

    1 X8 }. A; H2 s" L( `最佳选择是:带电压调节的电荷泵。: [% P8 m- v- @6 y& k: F: o
    - k- c6 @. l7 l9 u
    安装成本
    % F3 q6 d9 z3 T2 [% t: r6 s3 D/ m6 W' a$ }7 J
    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。
    ; \5 I9 l. L, V) {8 E* d
    ! \- {5 _+ n% f3 t' Q- H②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。
    ) `$ e9 n7 E1 l3 _( N& J
    ; b# y1 J- W- f) A③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。
    / p' ]. m3 L5 I$ A. d/ b4 \- z0 f$ |. O& V& b
    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。" f: v8 w2 H0 s* s

    ; c. Y$ q' L! ^! o. F; h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

    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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