【導(dǎo)讀】DC-DC指直流轉(zhuǎn)直流電源(Direct Current)。是一種在直流電路中將一個電壓值的電能變?yōu)榱硪粋€電壓值得電能的裝置。如,通過一個轉(zhuǎn)換器能將一個直流電壓(5.0V)轉(zhuǎn)換成其他的直流電壓(1.5V或12.0V),我們稱這個轉(zhuǎn)換器為DC-DC轉(zhuǎn)換器,或稱之為開關(guān)電源或開關(guān)調(diào)整器。
一、概念及特點
01.概念
DC-DC指直流轉(zhuǎn)直流電源(Direct Current)。是一種在直流電路中將一個電壓值的電能變?yōu)榱硪粋€電壓值得電能的裝置。如,通過一個轉(zhuǎn)換器能將一個直流電壓(5.0V)轉(zhuǎn)換成其他的直流電壓(1.5V或12.0V),我們稱這個轉(zhuǎn)換器為DC-DC轉(zhuǎn)換器,或稱之為開關(guān)電源或開關(guān)調(diào)整器。
DC-DC轉(zhuǎn)換器一般由控制芯片,電感線圈,二極管,三極管,電容器構(gòu)成。在討論DC-DC轉(zhuǎn)換器的性能時,如果單針對控制芯片,是不能判斷其優(yōu)劣的。其外圍電路的元器件特性和基板的布線方式等,能改變電源電路的性能,因此,應(yīng)進行綜合判斷。
DC-DC轉(zhuǎn)換器的使用有利于簡化電源電路設(shè)計,縮短研制周期,實現(xiàn)最佳指標(biāo)等,被廣泛用于電力電子、軍工、科研、工控設(shè)備、通訊設(shè)備、儀器儀表、交換設(shè)備、接入設(shè)備、移動通訊、路由器等通信領(lǐng)域和工業(yè)控制、汽車電子、航空航天等領(lǐng)域。具有可靠性高、系統(tǒng)升級容易等特點,電源模塊的應(yīng)用越來越廣泛。此外,DC-DC轉(zhuǎn)換器還廣泛應(yīng)用于手機、MP3、數(shù)碼相機、便攜式媒體播放器等產(chǎn)品中。在電路類型分類上屬于斬波電路。
02.特點
其主要特點是效率高:與線性穩(wěn)壓器的LDO相比較,效率高是DCDC的顯著優(yōu)勢。通常效率在70%以上,效率高的可達到95%以上。其次是適應(yīng)電壓范圍寬。
A:調(diào)制方式
1:PFM(脈沖頻率調(diào)制方式)
開關(guān)脈沖寬度一定,通過改變脈沖輸出的頻率,使輸出電壓達到穩(wěn)定。PFM控制型即使長時間使用,尤其小負(fù)載時具有耗電小的優(yōu)點。
2:PWM(脈沖寬度調(diào)制方式)
開關(guān)脈沖的頻率一定,通過改變脈沖輸出寬度,使輸出電壓達到穩(wěn)定。PWM控制型效率高并具有良好的輸出電壓紋波和噪聲。
B:通常情況下,采用PFM和PWM這兩種不同調(diào)制方式的DC-DC轉(zhuǎn)換器的性能不同點如下。
PWM的頻率,PFM的占空比的選擇方法。PWM/PFM轉(zhuǎn)換型小負(fù)載時實行PFM控制,且在重負(fù)載時自動轉(zhuǎn)換到PWM控制。
二、架構(gòu)分類
01.常見的三種原理架構(gòu)
A、 Buck(降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器)
圖1
B、Boost(升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器)
圖2
C、Buck-Boost(升降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器)
圖3
02.Buck電路工作原理詳解
圖4
伏秒平衡原則:處于穩(wěn)定狀態(tài)的電感,電感兩端的正伏秒積等于負(fù)伏秒積,即:電感兩端的伏秒積在一個開關(guān)周期內(nèi)必須平衡。
圖5
當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時:輸入電壓Vin加到LC濾波器的輸入端,電感上的電流以固定斜率線性上升。如下圖
圖6
當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時:由于電感上的電流不能突變,電感中存儲的能量向負(fù)載釋放,電感電流通過二極管續(xù)流 ,在這個階段,電流波形是一條斜率為負(fù)的斜線。如下圖
圖7
三、設(shè)計技巧及主要技術(shù)參數(shù)選用要求
DC-DC電路設(shè)計至少要考慮以下條件:
A、外部輸入電源電壓的范圍,輸出電流的大小。
B、DC-DC輸出的電壓,電流,系統(tǒng)的功率最大值。
01.輸人/輸出電壓
要按照器件的推薦工作電壓范圍選用,并且要考慮實際電壓的波動范圍,確保不能超出器件規(guī)格。
02.輸出電流
器件持續(xù)的輸出電流能力是一個重要的參數(shù),選用時要參考此參數(shù),并要保留一定的余量。
此參數(shù)的選取還要評估電路的瞬間峰值電流和發(fā)熱的情況,綜合來確定,并滿足降額要求。
03.紋波
紋波是衡量電路的輸出電壓波動的重要參數(shù)。要關(guān)注輕載和重載紋波,一般輕載紋波要大。注意核電等場合下輕載紋波是否會超出要求。實際測試下各種場景負(fù)載下的情況。通常選用示波器20M帶寬來測試。
04.效率
要同時關(guān)注輕載和重載兩種情況。輕載會影響待機功率,重載影響溫升。通???2V輸入,5V輸出下10mA的效率,一般要80%以上。
05.瞬態(tài)響應(yīng)
瞬態(tài)響應(yīng)特性反應(yīng)負(fù)載劇烈變化時系統(tǒng)是否能及時調(diào)整以保證輸出電壓的穩(wěn)定。要求輸出電壓波動越小越好,一般按峰峰值10%以下要求。
實際要注意按推薦值選用反饋電容。常見取值在22pF到120pF。
圖9
06.開關(guān)頻率
常用的開關(guān)頻率多數(shù)在500kHz以上。較高的開關(guān)頻率1.2M到2M的也有,由于頻率高開關(guān)損耗增加IC散熱設(shè)計要好,故主要集中在5V低壓輸入小電流的產(chǎn)品。開關(guān)頻率關(guān)系到電感電容的選用,其它如EMC,輕載下噪音等問題也與之有關(guān)。
07.反饋參考電壓及精度
反饋電壓要與內(nèi)部的參考電壓相比較,配合外部的反饋分壓電阻,輸出不同電壓。不同產(chǎn)品的參考電壓會有不同,如0.6~0.8V,替換時注意調(diào)整反饋電阻。
反饋電阻要選用1%精度,只要根據(jù)廠家推薦來選,一般不要選的過大,以免影響穩(wěn)定性。
參考電壓精度影響輸出準(zhǔn)確度,常見精度在2%以下,如1%~1.5%,精度高的產(chǎn)品成本會有差別。根據(jù)需要選擇。
08.線性穩(wěn)定度和負(fù)載穩(wěn)定度
線性穩(wěn)定度反應(yīng)輸入電壓變化輸出電壓穩(wěn)定性。負(fù)載穩(wěn)定度反應(yīng)輸出負(fù)載變化輸出電壓穩(wěn)定性。一般要求1%,最大不要超3%。
09.EN電平
EN高低電平要滿足器件規(guī)格要求,有些IC不能超出特定電壓范圍;電阻分壓時注意滿足及時關(guān)斷,并且考慮電壓波動最大范圍內(nèi)要滿足。
由于時序控制的需要,該引腳會增加電容,為了電平調(diào)節(jié)和關(guān)斷放電,同時要有對地電阻。
10.保護性能
要有過流保護OCP,過熱保護OTP等,并且保護后條件消失能自恢復(fù)。
11.其它
要求有軟啟動;熱阻和封裝;使用溫度范圍要能覆蓋高低溫等。
四、器件選型一般原則
? 普遍性
? 高性價比
? 易采購生命周期長
? 兼容和可替代
? 資源節(jié)約
? 降額
? 易生產(chǎn)和歸一化
五、外圍器件選擇的要求
01.輸入電容
要滿足耐壓和輸入紋波的要求。一般耐壓要求1.5~2倍以上輸入電壓。注意瓷片電容的實際容量會隨直流電壓的偏置影響而減少。
02.輸出電容
要滿足耐壓和輸出紋波的要求。一般耐壓要求1.5~2倍。
紋波和電容的關(guān)系:
03.BST電容
按照規(guī)格書推薦值。一般0.1uF-1uF。耐壓一般要高于輸入電壓。
04.電感
不同輸出電壓的要求感量不同;注意溫升和飽和電流要滿足余量要求,一般最大電流的1.2倍以上(或者電感的飽和電流必須大于最大輸出電流+0.5*電感紋波電流)。通常選擇合適的電感值L,使ΔIL占輸出電流的30% to 50%。計算公式:
05.VCC電容
按規(guī)格書 要求取值,不能減小,也不要太大,注意耐壓。
06.反饋電容
按規(guī)格書 要求取值,不同廠家芯片取值不同,輸出電壓不同也會有不同的要求。
07.反饋電阻和EN分壓電阻
要求按規(guī)格書取值,精度1%。
六、PCB設(shè)計要求
1、輸入電容就近放在芯片的輸入Vin和功率的PGND,減少寄生電感的存在,因為輸入電流不連續(xù),寄生電感引起的噪聲對芯片的耐壓以及邏輯單元造成不良影響 。電容地端增加過孔,減少阻抗。
2、功率回路盡可能的短粗,保持較小的環(huán)路面積,較少噪聲輻射。SW是噪聲源,保證電流的同時保持盡量小的面積,遠(yuǎn)離敏感的易受干擾的位置。如,電感靠近SW引腳,遠(yuǎn)離反饋線。輸出電容靠近電感,地端增加地過孔。
3、VCC電容應(yīng)就近放置在芯片的VCC管腳和芯片的信號地之間,盡量在一層,不要有過孔。
4、FB是芯片最敏感,最容易受干擾的部分,是引起系統(tǒng)不穩(wěn)定的最常見原因 。
1)FB電阻連接到FB管腳竟可能短,靠近IC放置,減少噪聲的耦合;FB下分壓電阻通常接信號地AGND;
2)遠(yuǎn)離噪聲源,SW點,電感,二極管(非同步buck);FB走線包地;
3)大電流負(fù)載的FB在負(fù)載遠(yuǎn)端取,反饋電容走線要就近取。
5、BST的電容走線盡量短,不要太細(xì)。
6、芯片散熱要按設(shè)計要求,盡量在底下增加過孔散熱。
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