变换器基础及特点DCDC电荷泵线性稳压器

1、一、dcdcM念及分类几乎所有的电子系统都需要恒压电源或者恒流电源，DC to DC变换器是用于提供直流（DC）电源的器件。DC-DC实际上是个很宽的概念，广义上包括所有的从直流变换到直流的变压器件，可分为线性变换器和开关变换器2种。线性变换器中比较常用到的细分种类是LDO,而开关变换器就是通常所说的狭义上的DC-DG1,开关变换器开关变换器，指利用电感、电容的储能的特性，通过可控开关器件（MOSFET等）进行高频率的周期性的开通和关断，将输入的电能储存在电感（容）里，当开关断开时，电能再释放给 负载，提供能量。所以，开关变换器根据储能器件不同又可以分为电感储能型和电容储能型2种。电感储能型D

2、CDC就是电子产品中最常用的那种需要外挂个功率电感的常规DCDQ而电容储能型 DCDC变换器通常又被叫作电荷泵 （b e ng。我们常用的电感储能型DC-DC产品有三种类型，分别为BUCK （降压型）、BOOST （升压型）和BUCK/BOOST1 （升降压型）。另外，如果用变压器来代替储能电感，就是隔离型DCDC,隔离型又分多种：单端正激（Forward）、单端反激（Flyback）、双管正激（Double transistor forward converter）、双管反激（Double transistor flybackconverter ）、推挽电路（Push-pull conver

3、ter）和半桥电路（Half-bridge converter）等。隔离型不是本文要讲的重点。2,线性变换器线性型，是从电源向负载连续的输送功率，传输能量器件（如晶体管、场效应管）工作于线性区，其负责调节从电源至负载的电流流动。线性稳压器属于广义的DC-DC变换器，而LDO又是一种低压差的线性稳压器。二，线性稳压器1,原理：线性稳压器和输出阻抗一起形成了一个分压器网络。线性稳压器的作用就像受控的可变电阻器，其可根据输出负载自我调节以保持一个稳定的输出。2,特性优点：低输出纹波和噪声；面对大的负载变化，可在VOUT上实现快速瞬态响应；低成本（简单，外部器件少）；极少的外部组件使得线性稳压器易于设

4、计；由于线性稳压器不工作在开关模式，不会有开和关的电压电流跳变，无噪声源，无需担心EMI问题；易于实现短路保护；缺点：在VIN比VOUT大的比较多的情况下电能变换效率较低；浪费的电能（VIN - VOUT）*IOUTB过线性稳压器以热能的方式耗散，可能需要一个散热器;只能降压，也就是始终 VOUT Vout =D*Vin2,分类:基本拓扑三种基本的直流开关变换器拓扑：降压、升压和升降压。升压Vout = Vin/(1-D)降-升JVout = -DVin/(1-D)同步与非同步。同步整流技术，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DCZ

5、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分离器件来降低 MOSFET的导通电阻RDS(ON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。 这两 个MOS

6、FET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),以避免同时导通。同步 FET工作在第三象限，因为电流从源极流到漏极。非同步降压的优缺点：在输出电流变化的情况下，二极管压降相对较恒定(Vf vs If);效率偏低；成本较低；比较适宜较高的输出电压；同步降压同步降压的优缺点:MOSFET具有较低的压降；更高效；需要额外的控制电路确保死区和下管驱动信号成本较高； 隔离式与非隔离式。变压器耦合横跨隔离边界的信号反俄回路通常需要一个光耦合器做隔离具有功率因数校正（PFCJ功能的初级侧开关稹式电箫隔离式变换器在输入和输出之间没有电流回路，原副边不同地。变压器通

7、过磁场将能量从初级耦合至次级。隔离式变换器通常在需要提供初级至次级不同地，高可靠性、防雷、耐高压等，如隔离的医疗电源。并非标准负载点电源（POL）解决方案所常用。控制器与稳压器。控制器特点：一分立式MOSFET；-负责提供控制功率级所需的智能”；-设计更加精细复杂；-可全面控制 FET选择、开关频率、过流、补偿、软起动;-可通过优化设计调整使电源满足您的特殊需求；?全集成型稳压器特点：-集成型开关；-即插即用型”设计；-输出滤波器组件的选择范围受限；-对于功能性的控制受限；?部分集成型稳压器特点：-可提供全部或部分特性集，内部或外部补偿；-内部功率FET1外部同步 FET或箝位二极管；-对于频

8、率、过流、软起动等功能的控制受限;-可提供较宽的输出滤波器组件选择范围；3,特点优点：由于稳压是通过将能量转入电感器或从电感器转出来完成的，因此:可获得较高的效率，通过稳压器耗散的功率较低，发热量也偏小，开关电源拓扑允许 VOUT高于、低于或等于 VIN,高功率密度，可允许较宽的输入电压范围，可提供隔离（利用变压器 转为反激变换器）；可提供多个输出（利用变压器多绕组输出）； 缺点：需要将电流周期性通过开关管，电压产生周期性的尖峰震荡，并且电流通过电感，因此会:产生电磁干扰 （EMI, DM, CM, RF| ,导致输出对负载瞬变的响应速度减慢，产生较高的输出纹波和噪声；更多的外部组件和设计变量

9、使开关电源难于设计； 适用场景：要求电能转换效率高的应用；具有极高环境温度的应用（例如：工业和汽车）；VIN高于、等于、小于 VOUT负压出的应用（此拓扑正压出需隔离，或者由升压变换器变换 为Vo负极加于输入的正极）； 高功率密度场合； 要求高输出功率的应用；四、电荷泵(b e ng)电荷泵为电容储能型 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。电荷泵可以依据电池电压输入不断改变其输出电压。例如，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，电荷泵则在1倍模式

10、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。VoutS2、S4以互补的方式切换。当S1、S3导通,S2、S4断开时，为充电。当S1、S3断开,S2、S4导通时，为放电。1,原理:,开关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。电容器连接利用开关来改变，从而达到控制充电和放电的目的。如下图：开关S1、S3和另外，通过反转输出至地的连接，单位增益变换器将变为负增益反相器。,电压倍增器（倍压电路） 电路图

11、例如下：当S1、S3导通，S2、S4断开时，为增益相位。当S1、S3断开，S2、S4导通时，为公共相位。不过，在公共相位中，输入电源仍然连接至 电容器：Vout=Vc+Vin=2Vin.通过交换 Vin和Vout,相同的倍增器电路将产生原先一半的增益。另外，如果在充电泵中内置了两个电容器，通过改变连接组合可产生许多不同的增益。下图示出了两个电容器的一些连接配置以及所能实现的最终增益。GAIN PHASE:G = 1/2GAIN PHASE:G = 2/3GAIN PHASE:G = 1C2工c1GAIN PHASE:G2/2工工C1C2GAIN PHASE:COMMON PHASE: |ALL

12、 GAINSV(X/T I图中最后一个示例是针对所有增益的相同公共相位连接。假设C1=C21.3,电荷泵稳压方法通过增设一个后置稳压器级，充电泵将能够实现精细的输出电压，而且，还可以控制开关阻抗以使其实际上起一个后置稳压器的作用。Regulate Gate Drive on 2 Swtchesto Control VoulVau = 2 x Vin- (lout x Rout)Fine adjust: Modulate Output Resistance (R0UT)OUT =(G X sw) / 1(Fgyy X CFJ其中，Rout是有效输出阻抗，包括开关阻抗 (Rsw)及开关电容器阻抗

13、1/(2Pi*Fsw*Cf); 通过控制Fsw或Rsw可完成输出电压的精细调节。稳压方法1 ,控制频率：脉冲-频率调制(PFM)。 通过跳过不需要的脉冲以保持输出电压的恒定。VARIABLEDEPENDENT ON LOAD CURRENT优点：非常低的静态电流、较高的效率。缺点：较高的输出电压纹波、频率发生变化。稳压方法2,控制电阻：恒定频率稳压（ PWM）, 通过改变内部开关的电阻来调节输出。CLKVRtABLEDEPENDENT OM LOAD CURRENT优点：低电压纹波、固定频率。缺点：高静态电流。2,特点,优点：电能变换效率中等；由于电荷泵将电容器两端的电压接入输出端及从输出端接

14、出，因此:-无需电感器，-VOUT高于、低于和等于 VIN;较少的组件使电荷泵更易于设计；,缺点：将电容器接入电路及从电路接出会产生电磁干扰（EMI）;由于电荷泵的输出取决于电容器的充电和放电，因此其电流供应能力受到限制;适用场景：需要一个低输出电流的应用；具有中等的输入-输出电压差的应用;存在空间限制的应用；3,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2倍压模式进行升压，那么它的效率为Vout/2Vin。输入电压越小，效率越高。4,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；?

15、噪音要小，对手机的整体电路无干扰；?功能集成度要高，外围器件少，占PCB板面积小，走线少而简单；?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；?具有使能控制端，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0。5,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；一般在手机中应用于并联LCD背光驱动芯片，而串联背光驱动芯片则应选择电感式的DC/DC,因为它对电压要求较高。五、变换器控制系统。由于在电路中实现了闭环控制系统， 因此变换器能够在各种不同的条件下提供一个恒定的电 压输出。1,原理简单的控制系统具有一条从输出至输入的反馈路径，系统增益是受控输出与基准输入之比。

16、没有反馈路径H时，它是开环系统，增益为 G;具有反馈路径H时，它是闭环系统，增益为G/(1+G*H)。如下图示:HKtrivu- LU pur cvtAlulled u-LitjuL ftirwail pnt h tn IC I li irk 口/?(?仃 H其中，G*H被称为环路增益(传递函数开环增益)原理电路图如下:PowerinputSwitching convenerLoad/rmSensor gainTrans is ter 7 gate driver6ErrorsignalPulse widthmodulatorCompensatorReferenceinput2,波特图(Bode

17、 Plots)。控制系统的分析常常在波特图中进行，波特图是一种在频域中的增益大小和相位的曲线图。 控制系统可以采用传递函数来表示，因此用波特图来绘制其曲线。示例图如下：其中增益大小以 dB （20log）为单位来表示，相位以角度（。来表示，而频率曲线则通常采用 对数标度来绘制。变换器的传递函数可利用其电路模型来推导，然后就能从传递函数获得波特图。 或者也可以将一个小的 AC信号（小的扰动）注入反馈环路，扫描其频率并探测和比较信号 （环路响应）， 由此在网络分析仪上测量波特图。在增益仍然为正值的情况下，当环路增益的相位接近180时，闭环系统将变得不稳定。为了确保稳定性，在交叉频率下相位裕量必须为

18、正，经验值通常保证 3045度相位裕度。见下图：上图中，穿越频率fc是环路增益大小=1时的频率；相位裕量（度）4 m是穿越频率下环路增益的相位与-180。的差值。3,补偿器闭环系统中包括一个用于调整环路增益、相位的补偿器，可确保系统的稳定性及优良的瞬态响应性能。补偿通常是通过改变误差放大器周围的R-C组件来调节的。VquT邢）未采用外七器忖的增益=G(s)H(s)4,极点和零点。极点特性：斜率改变量为-20 dB/十倍频；1/10频到十倍频相移为 -90 0 （最大值）；大多数影响都不超过 f p 的一个十倍频程（升或降）(迦市POZ)相袈1-慢点斜率=-20 dB/dec零点特性：斜率改变量

19、为 +20 dB/十倍频程；相移为+90 0 (最大值)；起 反极点”的作用，这意味着其可消除极点。W虻mpoz 二一+45相移二0f/100 1z/10 fz 10与 iooq频率(Hz)零点增益，相位曲线图六、PWM控制方式电感储能型DCDC利用对输入电压进行脉冲调制可实现自动稳压。脉冲调制方式主要分为：PFMI （Pulse Frequency Modulation ,脉冲频率调制）、PWM （Pulse Width Modulation ,脉冲宽 度调制）两种。产品依此调制方式划分有以下三种类型。脉冲频率调制：对于外围电路相同，在峰值效率以前，其效率远比PWM的高，且响应速度较快；但不易实现，通常被应用于DC-DC转换器来提高轻负载效率。脉冲宽度调制：在重载时效率高、噪音低且较于PFM易于实现，成为目前主流技术；混合型：工作在节电模式下的转换器在轻负载电流条件下使用PFM模式，在较重负载电流条件下使用脉冲宽度调制（PWM）模式。P