dcdc电源电路基础知识

1、DC/DC根本知识DC/DC是开关电源芯片。开关电源，指利用电容、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。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。我们常用的 DC-DC 产品有两种。一种为电荷泵Charge Pump ，一种为电感储能 DC-DC转换器。本文详细讲解了这两种 DC/DC 产品的相关知识。目录一. 电荷泵1.工作原理2.倍压模式如何产生3.电荷泵的效率4.电荷泵的应用5.电荷泵选用要点二. 电感式 DC/DC1.工作原

2、理BUCK2.整流二极管的选择3.同步整流技术4.电感器的选择5.输入电容的选择6.输出电容的选择7.BOOST 与 BUCK的拓扑结构一.电荷泵电荷泵为容性储能 DC-DC 产品，可以进行升压，也可以作为降压使用，还可以进行反压输出。电 荷泵消除了电感器和变压器所带有的磁场和电磁干扰。1.工作原理电荷泵是通过外部一个快速充电电容Flying Capacitor ,内部以一定的频率进行开关，对电容进行充电，并且和输入电压一起，进行升压或者降压转换。最后以恒压输出。在芯片内部有负反响电路，以保证输出电压的稳定，如上图Vout，经 R1,R2 分压得到电压 V2,与基准电压 VREF 做比拟，经过

3、误差放大器 A,来控制充电电容的充电时间和充电电压，从而达 到稳定值。电荷泵可以依据电池电压输入不断改变其输出电压。例如，它在 1.5X或 1X的模式下都可以运行。 当电池的输入电压较低时，电荷泵可以产生一个相当于输入电压的1.5倍的输出电压。而当电池的电压较高时，电荷泵那么在 1X模式下运行，此时负载电荷泵仅仅是将输入电压传输到负载中。这样就在输入电压较高的时候降低了输入电流和功率损耗。2.倍压模式如何产生以 1.5x mode为例讲解：电压转换分两个阶段完成。第一阶段在第一阶段， C1 和 C2 串联。假设 C1=C2 ,那么电容充电直到电容电压等于输入电压的一半VC1+-VC1-=VC2

4、+-VC2-=VIN/2 第二阶段在第二阶段，C1 和 C2 并联，连接在 VIN和 VOUT 之间。VOUT=VIN+VIN/2=1.5VIN3.效率电荷泵的效率是根据电荷泵的升压模式，输入电压和输出电压所决定，如果是以升压，那么它的效率为 Vout/2Vin。输入电压越小，效率越高。2倍压模式进行4.电荷泵应用在我们的设计中，电荷泵经常被用作白光LED 驱动，一般在中应用于并联片。而串联背光驱动芯片那么应选择电感式的DC/DC,因为它对电压要求较高。5.电荷泵选用要点选用电荷泵时考虑以下几个要素：?转换效率要高?静态电流要小，可以更省电；?输入电压要低，尽可能利用电池的潜能；?噪音要小，对

5、的整体电路无干扰；?功能集成度要高，提高单位面积的使用效率，使设计的更小巧；?足够的输出调整能力，电荷泵不会因工作在满负荷状态而发烫；?封装尺寸小是手持产品普遍要求；?按装本钱低，包括周边电路少占PCB板面积小，走线少而简单；?具有关闭控制端，可在长时间待机状态下关闭电荷泵，使供电电流消耗近乎为.电感式 DC/DC它是通过电感不断的储能 /放电，最后到达稳定电压 /电流输出的转换器。根据输出电压与输出电压的上下比拟，可以分为boost 输出电压远高于输入电压和 buck 输出电压低于输入电压。它们的拓扑结构不同。Boost 一般用于 lcd串联背光驱动以及 oled驱动，一般使用得输出电压在十

6、几伏。Buck 用于多媒体协处理器的核电压。1.工作原理BUCK上图降压转换器最根本的电路：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。输出电压值与占空比 开关开启时间与整个开关周期之间的比 有关。2.整流二极管的选择该二极管必须具有与输出电压相等或更大的反向额定电压。其平均额定电流必须比所期望的最大 负载电流大得多。其正向电压降必须很低，以防止二极管导通时有过大的损耗。此外，因为 MOSFET工作于高频开关模式，所以需要二极管具有从导通状态到非导通状态时，很快恢复。反响速度越 快，DC/DC的效率越高。肖特基二极管而非传统的超快

7、速二极管具有更低的正向电压降和极佳的反向恢复特性。3.同步整流技术同步整流是采用通态电阻极低的专用功率MOSFET,来取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术。它能大大提高 DC/DC 变换器的效率。功率 MOSFET属于电压控制型器件，它在导通时的 伏安特性呈线性关系。用功率MOSFET做整流器时，要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能，故称之为同步整流。当输出电压降低时，二极管的正向电压的影响很重要，它将降低转换器的效率。物理特性的极限 使二极管的正向电压降难以降低到0.3V以下。相反，可以通过加大硅片的尺寸或并行连接别离器件来降低 MOSFET的导通电阻 RDSON。

8、因此，在给定的电流下，使用一个MOSFET来替代二极管可以获得比二极管小很多的电压降。在同步降压转换器中，通过用两个低端的MOSFET来替换肖特基二极管可以提高效率图 1b。这两个 MOSFET必须以互补的模式驱动，在它们的导通间隙之间有一个很小的死区时间dead time ，以防止同时导通。同步 FET工作在第三象限，因为电流从源极流到漏极。4. 电感器的选择LCD 背光驱动芯0。随着开关的翻开和闭合，升压电感器会经历电流纹波。一般建议纹波电流应低于平均电感电流的 20%。电感过大将要求使用大得多的电感器，而电感太小将引起更大的开关电流，特别在输出电 容器中，而这又要求更大的电容器。电感值的

9、选择取决于期望的纹波电流。如等式1所示，较高的 VIN或 VOUT 也会增加纹波电流。电感器当然必须能够在不造成磁芯饱和意味着电感损失情况下处理峰值开关电流。由公式可以得出：1 开关频率越高，所需的电感值就可以减小；2 电感值增大，可以降低纹波电流和磁芯磁滞损耗。但电感值的增大，电感尺寸也相应的增大，电流变化速度也减慢。为了防止电感饱和，电感的额定电流值应该是转换器最大输出电流值与电感纹波电流之和。电感的直流电阻RDC,取决于所采用的材料或贴片电感器的构造类型，在室温条件下通过简单的电阻测量即可获得。RDC 的大小直接影响线圈的温度上升。因此，应当防止长时间超过电流额定值。线圈的总耗损包括 R

10、DC 中的耗损和以下与频率相关联的耗损分量：磁芯材料损耗磁滞损耗、涡流损耗；趋肤效应造成的导体中的其他耗损 高频电流位移；相邻绕组的磁场损耗邻近效应； 辐射损耗。将上述所有耗损分量组合在一起构成串联耗损电阻Rs。耗损电阻主要用于定义电感器的品质。然而，我们无法用数学方法确定Rs, 一般采用阻抗分析仪在整个频率范围内对电感器进行测量。电感线圈电抗XL与总电阻Rs之比称为品质因素 Q,参见公式 。品质因素被定义为电感器的 品质参数。损耗越高，电感器作为储能元件的品质就越低。品质一频率图可以帮助选择针对特定应用的最正确电感器结构。如测量结果图2所示，可以将损耗最低Q值最高的工作范围定义为一直延伸到品

11、质拐点。如果在更高的频率使用电感器，损耗会剧增Q降低。良好设计的电感器效率降卑微乎其微。 不同的磁芯材料和形状可以相应改变电感器的大小 /电流和 价格/电流关系。采用铁氧体材料的屏蔽电感器尺寸较小， 而且不辐射太多能量。选择何种电感器 往往取决于价格与尺寸要求以及相应的辐射场 /EMI 要求。5. 输入电容的选择因为 buck 有跳跃的输入电流，需要低 ESR 的输入电容，实现最好的输入电压滤波。输入电容值 必须足够大，来稳定重负载时的输入电压。如果用陶瓷输出电容，电容 RMS 纹波电容范围应该满 足应用需求。陶瓷电容具有低 ESR值，表现出良好的特性。并且与祖电容相比，陶瓷电容对瞬时电压不敏感。6. 输出电容的选择输出电容器的有效串联电阻ESR和电感器值会直接影响输出纹波电压。利用电感器纹波电流IL和输出电容器的 ESR可以简单地估测输出纹波电压。输出电压纹波是由输出电容的ESR引起的电压值，和由输出电容冲放电引起的电压纹波之和有些厂家的 DC/DC 产品的