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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。) @. T# s8 o# {! V
    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。
    1 ]  v1 W$ k% |& n' S5 p* n& `2 R: C' N' i6 l+ U* M5 K' j" ~, ~
    % m9 z, h% D8 G0 E5 |
    / o, i* O2 J, z6 Z2 w& s
    三种典型的DC/DC变换器框图
    1 w) t% |% F% H" {6 Z# R- f9 A  C$ R
    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。
    8 Z( R' ~' L' }( l+ C1 i
    - j2 l3 d. w: B9 B工作效率* s- p+ X& z* h( Z7 \* c9 l

    4 f+ G  e& n2 L0 n# r' h- X①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。
    ' X6 g9 x- Z; R* Q, h9 K" E, w
    6 X8 K7 D2 b9 O& g: [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。
    2 ]8 V% W0 d8 w  m, B) U/ j$ X+ c4 ~: N
    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。
    1 o2 E/ D  X( S- I( z" |
    . k6 n' O! z+ h9 F& X* t: \9 B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)。
    ) H2 ?# V3 @1 x1 Y9 Y1 t# k. g2 T  G1 w' w+ V8 ~
    安装尺寸
    # a% Z" C0 B% S' d
    ! p) D" a9 I8 M  K$ @4 I) t7 S①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)。( D1 j* p) d7 }7 ~# F4 ^5 w! m* v' x
    # O, b! ^  B+ U( t. x7 z. r
    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 a- B' w  V: s. m/ G* `# A) T+ ?7 [4 a0 l; ?# l
    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。2 p, W2 [, J6 q( `' _* Q+ o
    9 N  ]$ p% i, a$ s2 u
    最佳选择是:无电压调节或带电压调节电荷泵。
    5 a' U, B5 ?- ]) t: _5 P" i静态电流( B  k' X5 y8 @4 i4 x1 ]5 _9 ~

    ; _3 a0 ~" a& x# G①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。' c- J4 l  f* ^& l2 v3 ]

    3 j) D- U+ u" [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。& ^  b, I: Y! r) w

    , G( m) i7 z& J/ k③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。+ a3 h1 U6 G3 P) R; B) v

    " }) G/ ~) a' T4 ^; Z1 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。! A  q% ^; I: W/ D. |
    " C# C" J0 g2 ~+ n+ m, J* o
    最小工作电压
    * D$ Q" J, @( w, ]! r
    ( ~# W% K( F0 E- k. G①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。1 l9 ~0 D  |6 e" D' Y2 L$ k, {
    7 Z1 n7 H$ @! j# x) L
    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。; Q/ u% Y# q: E
      J+ q1 ?- _! G+ D
    最佳选择是:电感式DC/DC变换器。
    " t4 M* d5 P7 q, I1 I
    # c, }4 F" h% g, b. n+ U6 T产生的噪声' x: R3 u+ d' `0 h1 }

    9 a) k- {7 g% q* p$ F- }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。3 _: Y. d9 D5 A. l& z
    ( c; \6 U( f7 T+ v8 Z
    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。
      {* s9 E! h8 H5 f$ B6 o) w* ]
    # q) g6 \0 b. `; Q0 v最佳选择是:无电压调节或带电压调节的电荷泵。
    4 s7 d$ `  h- u0 D集成度
    6 S9 f4 E. C2 Q) B0 O2 c/ g/ k5 p. r
    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。  |3 ?7 a; D3 p+ G; A) R
    " v  H2 Z' S9 Z: s( D! `
    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。' [. k" C% ^) I# ~( l1 W& L
    - X4 B; ~& S* e" h' P
    ③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。: K! Q* X2 E  |! U
    " e9 m. w, V; B" v- C' B
    最佳选择是:电感式DC/DC变换器。( b9 u& `4 j1 T) n8 v5 A

    & x; G3 l  L' s8 _# X5 ~. z输出调节7 G6 N7 {: y8 X1 k* W) c
    ! E* _1 u" \3 y  X: |! k, l6 y1 O
    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。
    , [; |4 e, W8 E
    8 p; ?% P7 K* L6 q+ s②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 G" H  @5 [  V) h# `) S. L8 W1 a8 V! c
    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。) g  @+ h7 p& r+ M9 M+ @& f. n
    ' _/ W' z/ V$ V6 K
    最佳选择是:带电压调节的电荷泵。$ s/ [& n& J% m* X' z  p
    ) b4 F3 M8 c6 J8 U+ x
    安装成本6 f7 O7 f: [! w
    % C: O8 A$ M8 p/ H. p: R! j4 e
    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。; U5 O, C/ v6 A0 `: G

    $ q( a5 ?1 ^$ D2 P7 l②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。
    # O% Y' g7 t0 A/ C" c
    8 C: w0 @2 X0 `  ?4 T' [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。
    ! }( z2 Y& K# B/ V! X2 I3 J  n4 w+ d$ @& W0 h$ H
    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。
    % I! Y6 |6 w* v+ u* _) d- y* r$ U0 c& S- Q$ r/ L8 J
    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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