DCDC基础知识.pdf

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1、DC-DC 基基础础知知识识 1.1 介绍 电电源无源无处处不需不需 几乎所有的几乎所有的电电子系子系统统都需要恒都需要恒压电压电源源 或者恒流或者恒流电电源源 什么是什么是 DC-DC 变换变换器？器？ 2 电池 电电源源 负载负载 DC-DC 变换器 太阳能电池 工业电源 微处理器 放大器 数据转换器 另一级变换器 电阻器 另一个转换器 DC-DC 变换变换器是用于提供器是用于提供 DC 电电源的源的电电路路 变换变换器的器的类类型型 线性型 从电源向负载连续输送功率 传输能量器件（如晶体管、场效应管）其负责调节从电源至负载的电流流动）工作于线性区 开关电源型 以脉宽方波的形式从电源向负载

2、输送功率 开关元器件周期性的开通和关断 （根据控制技术不同有定频,变频, 混合型） 3 + Vref VoutVin Vin Vout + - Switchers L C L-C Components D2D 变换变换器特性器特性 系统基本要求：输出电压、额定电流、输入电压范围 效率： 轻载，满载，甚至整个负载范围效率曲线 稳态特征：稳压精度 瞬态响应： 输入线调整率，负载调整率等 功率密度： 尺寸，布局 成本 、温升 4 线线性性稳压稳压器器 5 应用 要求极低纹波和噪声的射频或高精度模拟（测量非 常小的电压）电路 VIN 和 VOUT 的压差较小的应用或者压差大电流小 需要一个电压精度比较

3、高的应用 要求针对负载的快速变化实现快速瞬态响应的 FPGA 或多内核处理器 缺点 在 VINVOUT 的情况下效率偏低，因而需要使用 一个较大的供电电源， 效率=Vo/Vin 利用稳压器产生功率 (VIN VOUT) * IOUT 通过稳压器耗散，通常需要一个散热器 VOUT 将始终低于 VIN 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，多用于小功率） 极少的外部组件使得线性稳压器易于设计 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 Vref + - 误差放大

4、器 栅极 驱动 能量传输元件 + - 负载 5V 3.3V 电电感感储储能型开关能型开关电电源源 6 应用 要求高效率（输入功率与输出功率之差极小） 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 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，RFI） 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使开关电源难于设

5、计 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（而不是通过稳压器来消耗功率），因此： 可获得较高的效率 通过稳压器耗散的功率较低，故只需一个较小的散热器即可。 开关电源拓扑允许 VOUT 高于、低于或等于 VIN 高功率/cm2 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） 升降升降压压型型负压输负压输出出变换变换器器为为例例 VIN VOUT 电电荷荷泵泵 7 应用 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 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

6、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 优点 中等效率 由于电荷泵将电容器两端的电压接入输出端及从输 出端接出，因此： 无需电感器 VOUT 可高于、低于和等于 VIN 较少的组件使电荷泵更易于设计 Q 1 Q 3 Q 2 Q 4 C F LOA D + VIN Co V o + - Io VCF + 电电源源变换变换器比器比较较 变换器类型的选择取决于电源设计的优先考虑因素。 8 线性 稳压器 开关稳压器 电感性 充电泵 效率 Vo/Vin 一般偏低 80 至 95% 轻载效率低 75 至85% 参考 纹波 非常低 低 中等 EMI 噪声 非常低 中等 低 PCB

7、面积 非常小 最大 中等 成本 最低 最高 中等 总结总结 DC-DC 变换器的类型 变换器的基本特性 变换器简单比较 9 DC-DC 基基础础知知识识 1.2 线性稳压器 什么是什么是线线性性稳压稳压器？器？ 线性稳压器是一种无需使用开关元件而能提供一个 恒定电压输出的 DC-DC 转换器。 线性稳压器因其低成本、低噪声及简单易用等特性 而在众多应用中得到了非常广泛的使用。 但是，线性稳压器也存在着效率有限以及不能提升 电压（使 Vout Vin）的缺点。 2 缺点 优优缺点缺点 3 优点 低效率，特别是当 Vin - Vout 电压差很 大时 热问题 面对高功率和/或大压差电压， 将会由于

8、此类稳压器的固有损失而产 生大量的热量 Vout 必须低于 Vin 低输出纹波和噪声，无 EMI 问题（因为 没有开关切换操作） 低成本 简单 所需的外部组件极少，易于配 置和设计 面对大的负载阶跃，可在 Vout 上实现 快速瞬态响应 易于实现短路保护 线线性性稳压稳压器的工作原理是什么？器的工作原理是什么？ 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。 4 - + 压压降降电压电压 压降电压 为使线性稳压器处在稳压器的指定工作 范围之内，VIN 与 VOUT 之间可接受的最小压差。 5 线线性性稳压稳

9、压器的器的类类型型 线性稳压器中的元件可以是双极型晶体管或 MOSFET。不 同的配置将产生不同的压降电压 双极型线性稳压器具有较高的压降电压，并能支持较高的输 入电压且拥有更好的瞬态响应。 MOSFET LDO 能支持非常低的压降、低静态电流、改善的 噪声性能和低电源抑制。 6 有关有关 LDO 压压降的更多信息降的更多信息 在 LDO 数据表中，只规定了最大输出电流条件下的压 降。在其他的工作条件下，压降可以通过计算求出。 LDO 中使用的 FET 工作于线性区。FET 在饱和线上具 有最小的电阻。LDO 不能在饱和线的左侧区域中工作。 7 其他的重要其他的重要规规格格 静态电流 由稳压器

10、所消耗且不流向输出负载的电 流。 该规格指标对于需要始终保持运行的应用（如基带、实时 时钟等）很重要。 电源抑制比 (PSRR) 已调输出电压纹波与输入电 压纹波之比。 该规格指标对于具有高噪声限制要求的应用（如低噪声放 大器、音频、RF 和无线等）很重要 基带噪声 某个特定频率范围内的总噪声能量 该规格指标对于具有高噪声限制要求的应用（如 PLL、 TCXO、RF 和无线等）很重要 8 LDO 的的选择选择 9 应应用用 低低 Iq 低低压压降降 高高 PSRR 低噪声低噪声 高高电电流流 注注释释 LNA、PLL 是 是 定义了系统噪声底层值。需 要低噪声的 LDO 基带 数字 是 始终保

11、持接通 基带 模拟 是 是 是 始终保持接通。需要抑制输 入纹波和低压降 TCXO 是 是 在中频 (IF) 部分使用，用于 在系统中实现低噪声 实时时钟 是 始终保持接通 音频 是 是 是 高 PSRR（在 20Hz 至 200kHz 频率范围内） 总结总结 线性稳压器介绍 线性稳压器的类型 LDO 的压降 LDO 选择过程中的考虑因素 10 DC-DC 基基础础知知识识 1.3 开关稳压器 什么是开关什么是开关稳压稳压器？器？ 开关稳压器是一种采用开关组件输送功率的 DC- DC 转换器。 它可提供高电源转换效率和设计灵活性 2 Vin Vout + - Switchers L C L-C

12、 Components 缺点 优优缺点缺点 3 优点 开关操作会产生较高的输出纹波和噪 声 缓慢的瞬态响应 高复杂性（因为涉及更多的外部组件和 设计变量） 高效率 优良的热性能 高功率密度 允许宽输入电压范围 Vout 可以低于或高于 Vin 可利用变压器提供隔离 可利用变压器提供多个输出 开关开关稳压稳压器的工作原理是什么？器的工作原理是什么？ 电感负责储存能量及向输出负载释放能量；电感根据开 关管的开通从输入端获得能量。 降压型转换器实例： 当切换至位置 1 时，电感器将储存能量；当切换至位置 2 时， 电感器将释放能量 电感器上的平均电压为零：D(Vin-Vo)-DVo=0 = Vout

13、 = D*Vin 4 D = 占空比（开关处于为 L 充电之位 置的时间百分比） D = 1-D 基本拓扑基本拓扑 三种基本的直流开关变换器拓扑：降压、升压和升降 压 5 VIN VOUT VIN VOUT VIN VOUT 降压 升压 降压-升压 Vout = D*Vin Vout = Vin/(1-D) Vout = -DVin/(1-D) 同步与非同步同步与非同步 6 非同步降非同步降压压 同步降同步降压压 非同步非同步 1. 在输出电流变化的情况下，二极管 压降相对较恒定 （Vf vs If） 2. 效率偏低 3. 成本较低 4. 比较适宜较高的输出电压 同步同步 1. MOSFET

14、具有较低的压降 2. 更高效 3. 需要额外的控制电路确保死区和下 管驱动信号 4. 成本较高 Q1 L C0 D1 Q1 L C0 Q2 隔离式与非隔离式隔离式与非隔离式 7 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 具有功率因数校正具有功率因数校正 (PFC) 功能的初功能的初级侧级侧开关模式开关模式电电源源 AC 输入 变压器耦合 横跨隔离边界的信号反馈回路 通常需要一个光耦合器做隔离 控制器与控制器与

15、稳压稳压器器 控制器控制器 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 全集成型全集成型稳压稳压器器 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 部分集成型部分集成型稳压稳压器器 可提供全部或部分特性集，内部或外部补偿 内部功率 FET、外部同步 FET 或箝位二极管 对于频率、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 8 总结总结 开关稳压器介绍 开关稳压器的工作原理 开关稳压器的类型 基本拓扑 同步

16、与非同步 隔离式与非隔离式 9 DC-DC 基基础础知知识识 1.4 电荷泵稳压器 什么是什么是电电荷荷泵稳压泵稳压器？器？ 电荷泵稳压器是一种只通过电容器的交替式充电和 放电来输送功率的开关稳压器。 它适合于具有低负载电流及中等输入 输出电压差 的应用 2 Q 1 Q 3 Q 2 Q 4 CF LOAD + VIN Co Vo + - Io VCF + 缺点 优优缺点缺点 3 优点 开关操作会产生较高的输出纹波和噪 声 输出电流能力受限于电容器 无需电感器，尺寸较小 中等效率，高于线性稳压器 Vout 可以高于或低于 Vin 所需的组件较少，因而使得充电泵设计 的难度和成本有所下降 电电荷荷

17、泵泵的工作原理是什么？的工作原理是什么？ 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 开关 S1、S3 和 S2、S4 以互补的方式切换： S1、S3 导通，S2、S4 断开，充电 S1、S3 断开，S2、S4 导通，放电 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 4 单位增益 反相增益 电压电压倍增器倍增器(倍倍压电压电路）路） 下面所示的电压倍增器电路在拓扑中仍然具有单个电容 器，只是连接有所不同 4 个开关的切换依然不变 S1、S3 导通，S2、S4 断开，增益相位 S1、S3 断开，S2、S4 导通，公共相位 不过，在公共相位中，输入电源仍然连接至电容器

18、： Vout=Vc+Vin=2Vin 5 电压倍增器 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 更多的增益更多的增益组组合合 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： 6 针对所有增益的相同公共 相位连接 *假设 C1=C2 电电荷荷泵稳压泵稳压 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 7 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 Rout 是有效输出阻 抗，包括开关阻抗 (Rsw) 及开关电容器 阻抗 1/(2Pi*Fsw*Cf)

19、 通过控制 Fsw 或 Rsw 可完成输出电压 的精细调节 电电荷荷泵稳压泵稳压 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 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 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 优点：低电压纹波、固定频率 缺点：高静态电流 8 总结总结 电荷泵稳压器介绍 倍压电路的工作原理和增益配置 电荷泵稳压实现 9 DC-DC 基基础础知知识识 1.5 变换器控制 什么是什么是变换变换器控制系器控制系统统？ 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

20、件下提供一个恒定的电压输出 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：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) 2 G*H 被称为环 路增益 （传函 开环增益） 控制系控制系统统的工作原理是什么？的工作原理是什么？ 3 波特波特图图 (Bode Plots) 控制系统的分析常常在“频域中的增益大小和相位”曲线图（称为 “波特图”）中进行。 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 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

21、常采用对数标度来绘制 4 极点和零点极点和零点 5 f z /100 f z /10 f z 10f z 100f z 频率 (Hz) 增益 (20dB/格) 零点 相移 () 0 +45 +90 零点增益/相位曲线图 相移 = arctan (f/f z ) 斜率 = +20 dB/dec 频率 (Hz) 极点 相移 () f p/ 100 f p /10 f p 10f p 100f p 增益 (20dB/格) -90 -45 0 极点增益/相位曲线图 相移 = -arctan (f/f p ) 斜率 = -20 dB/dec s1 1 1 1s 斜率改变量为 -20 dB/ 十倍频 1/

22、10频到十倍频相移为 -900 (最 大值) 大多数影响都不超过 fp 的一个 十倍频程（升或降） 斜率改变量为 +20 dB/十倍频程 相移为 +900 (最大值) 起“反极点”的作用，这意味着其可 消除极点 如何如何获获得波特得波特图图 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 6 功率级： 变压器 / 电感器 电源开关 调制器 补偿 VIN VOUT 负载 REF 误差放大器 测试 信号 A 探测 A、B、C 上的电 压信号

23、B C 环路增益为 VA/VB 误差放大器增益为 VC/VB 功率级增益为 VC/VA 控制控制稳稳定性定性 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正（经验值保证 3045度相位裕度） 穿越频率 fc 是环路增益大小 = 1 时的频率 相位裕量（度） m 是穿越频率下环路增益的相位与 -180 的差值 7 补偿补偿器器 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 8 RFB2 VREF VFB ZF + - VOUT VC ZI 未采用补偿器时的增益 补偿器的增益 G(s) H(s) =G(s)H(s) 环路增益 有效地推高了环路带宽 总结总结 转换器控制介绍 波特图基础知识 控制稳定性和补偿 9