科普一些关于DC/DC的知识点

关于DC/DC的基本概念

首先，从最基本的概念谈起。什么是 DC(Direct Current)？它表示直流电源，诸如干电池或车载电池等；家庭用的220V电源则是交流电源(AC)。

若通过一个转换器能将一个直流电压(3.0V)转换成其它直流电压(1.5V或 5.0V)，这个转换器即 DC/DC 转换器（ DC/DC switching regulator），又因为 DC/DC 的转换功能一般都是由开关电源实现的，所以 DC/DC 往往又被称为开关电源或开关调整器。

DC/DC转换器一般由控制芯片，电感线圈，二极管，MOS管，电容器等构成。其中一般常见原理是将直流电经过斩波电路从而变成另一电压的直流电。

DC/DC典型应用电路

DC/DC 转换器分为升压型、降压型、升/降压型和反相类型，具有效率高、输出电流大和静态电流小等优点；随着电路集成度的提高，许多新型 DC/DC 转换器仅需外接几只电感器和滤波电容器就可以完成直流电压的转换；但不足之处也很明显， DC/DC 转换器的输出脉动和开关噪音较大、成本相对较高。

从原理上来讲，其实内部是先把DC直流电源转变为交流电电源AC。通常是一种自激震荡电路，所以外面需要电感等分立元件。然后在输出端再通过积分滤波，又回到DC电源。由于产生AC电源，所以可以很轻松的进行升压跟降压。两次转换，必然会产生损耗，因而大家都在努力研究的如何提高DC/DC效率。

DC/DC电源调制方式

DC/DC电源属于斩波类型，即按照一定的调制方式，不断地导通和关断高速开关（由MOSFET构成），通过控制开关通断地占空比例，可以实现直流电源电平地变换。

DC/DC电源地调制方式有三种：PWM方式/PFM方式/PWM与PFM地混合方式。其中，PWM是最为常见地调制方式。

PWM调制

PWM是最普通的电压控制方法。在恒定周期下，将开关设为ON，从输入截取符合输出所需功率的部分。因此，ON和OFF的比率、占空比会随必要的输出功率而变化。

由于频率恒定，故有可预测即将产生的开关噪声、滤波器处理容易等优点。

其缺点是，由于频率恒定，重负载时和轻负载时的开关次数都相同，自我消耗电流不变，故轻负载时开关损耗是主要损耗而效率降低。

频率恒定根据占空比调整输出电压

频率恒定，易于过滤噪声

频率恒定，轻负载时开关损耗效率显著恶化

PFM调制

PFM则通过调节开关频率以实现稳定的电源电压的输出。

PFM工作时，在输出电源电压超过设置电压后，其输出将被关断，直至输出电源电压跌落到低于设置电压后才重新开始工作。基于这种工作方式，PFM的功耗相对较低，在轻负载时，其效率较高，且无需外部提供假负载，但在PFM调制方式下，输出端对负载变化的响应相对较慢，且输出电压噪声和纹波相对较大，同时由于无法提供限流功能使其不适合于连续供电方式。

PFM有固定ON时间型和固定OFF时间型。以固定ON时间型为例（下图参考），ON时间恒定OFF时间变化。

换句话说，接下来一直到ON之前的时间会改变。当负载变大时，将会随着负载增加时间内的ON次数。

也就是说，重负载时频率会变高，轻负载时频率会变低。

其优点是，轻负载时无需增加功率，开关频率变低，开关次数减少，开关损耗减少，故轻负载时也可维持高效率。

其缺点是，频率会变化，开关相关噪声不稳定且难以滤波。噪声难消除。

此外，频率一进入可听带20kHz时有可能会发生声响等对音响设备的S/N造成影响。从这个意义来说，PWM比较容易操作。

轻负载时会降频率工作，故开关损耗会减少而维持效率

频率不稳定，故噪声滤波困难而有进入听觉范围的可能性

利用哪一方，必须在理解各特性后权衡。

PWM轻负载时恒定周期开关，故效率低下。

PFM轻负载时会降频率工作，故开关损耗减少而维持效率。

有些IC为了能够利用双方的优点，于稳定工作时采PWM工作，于轻负载时开关成PFM来维持效率。

PWM控制型效率高并具有良好的输出电压纹波和噪声。PFM控制型即使长时间使用，尤其小负载时具有耗电小的优点。PWM/PFM转换型小负载时实行PFM控制，且在重负载时自动转换到PWM控制。目前DC-DC转换器广泛应用于手机、MP3、数码相机、便携式媒体播放器等产品中。

DC/DC电源分类

根据输出电压与输入电压之间的关系，DC/DC电源分为降压/升压/反相三种类别。

以降压为目的的DC/DC电源电路称为BUCK电路

以升压为目的的DC/DC电源电路称为BOOST电路

以反相为目的的DC/DC电源电路称为BUCK-BOOST电路

1）BUCK电路

BUCK电路由开关K1（通常用MOS管），续流二极管D1，以及输出端起储能和滤波作用的器件L1,C1构成（RL表示负载）。

DC/DC电源芯片输出PWM调制波形，控制开关K1通断，在一个开关周期Tcycle内，Q导通时间为Ton,关断时间为Toff。

当开关K1闭合时，输入电源VI通过电感L1对电容C1进行充电，电能储存在电感L1的同时也为外接负载RL提供能源。

当开关K1断开时，由于流过电感L1的电流不能突变，电感L1通过二极管D1形成导通回路（二极管D1也因此称为续流二极管），从而对输出负载RL提供能源，此时此刻，电容C1也对负载RL放电提供能源。

相关波形如下图所示：

2）BOOST电路

与BUCK电路相同，BOOST电路也由开关管Q，续流二极管D，以及L，C元件构成。

当Q导通时，电流方向为顺时针，续流二极管D反偏截止，电流流向如上图箭头方向‘1’，输入电压Vin加在L两端，为L充电，充电时间为开关管导通时间Ton。

当Q关断时，由于电感L电流不能突变（自感效应），电流方向仍然保持顺时针方向（上图箭头‘2’），续流二极管正向导通，储存于L内的能量经过续流二极管D向负载供电。

在Q导通的过程中，电感L的电流变化量为：

Δ DeltaΔ IL1=Vin/L Ton

（由自感应电压公式：U= L（dI/dt）（dI/dt 为电流变化率）,可知dI=U*dt/L）

在Q关断的过程中，电感L的电流变化量为：

Δ DeltaΔ IL2=（Vout-Vin)/L *Toff

在DC/DC电源电路启动完成后，电源电路正常工作时，应有Δ DeltaΔ IL1=Δ DeltaΔ IL2（即电感电流不能突变）, 结合以上两个式子。可得到：

Vout=1/(1-Ton/Tcycle)*Vin

因为Ton/Tcycle<1，因此Vout>Vin,即BOOST电路能获得输出电压永远大于输入电压。

控制技术简述

DC/DC的控制技术按照不同的标准，有众多分类方式。常见的有：

1）按占空比控制方式分类：分为恒频控制（PWM）和变频控制（PFM），也有将此种分类方式称为按调制方式分类。

2）按采样信号种类分类：电压型、电流模、电荷型、磁通型。也有的分类方式分为 基于（电压）纹波控制和非纹波控制类。

在控制环路中，开关频率产生的方式一般有 CLK（振荡器）或固定计时器（COT、CFT）；占空比控制器（一般为比较器加逻辑部分）的输入端的信号种类一般有 EA 输出、恒频的锯齿波、电感电流采样信号和输出纹波采样信号，其中电感电流和输出纹波的信号均可分为峰值（Peak）和谷值（Valley）。根据【开关频率发生方式】和【占空比控制器的输入端的信号种类】的不同组合，可以得到许多我们现在常见的环路控制方式：

1）频率由振荡器 CLK 产生，占空比控制器输入端为 EA_out 和固定锯齿波可得到传统的 PWM电压模。

2）频率由振荡器 CLK 产生，占空比控制器输入端为 EA_out 和电感电流信号可得到峰值（谷值）电流模，即平时所说的 Peak（Valley）Current Mode。

3）频率由固定计时器产生，占空比控制器为 EA_out 和电感电流信号，可得到峰值（谷值）电流模的 COT（CFT）。

4）频率由固定计时器产生，占空比控制器为 EA_out 和输出电压纹波信号，可得到纹波控制的COT（CFT）。

常见的BUCK环路

1 传统的 PWM 电压模 Buck

2 峰值（PWM）电流模 Buck

3 COT-Buck

关于DC/DC环路的相关内容，可以参看我们的往期内容：

DC-DC常见环路简述

LDO与DC/DC的区别

严格来讲，LDO也是DC/DC的一种，但目前DC/DC多指开关电源。它具有很多种拓朴结构，如BUCK(降压)，BOOST(升压)，buck-boost(升降压)，Charge和 Pump等。

关于LDO的知识点，我们会在之后的推送中与大家分享。

DC/DC选型指南

选择一个电源芯片需要考虑以下因素：

 1.输入电压范围

 2.输出电压范围

 3.输出电流

 4.效率

 5.是否带过流保护

 6.是否带高温保护

 7.转换效率

 8.开关频率

 频率越高：电感和电容都可以更小，相应所需的PCB面积变小；输出纹波越小；效率越低；开关损耗变大；EMC/EMI更难处理；

 9.启动延迟时间

 10.电压上升时间

 11.输出噪声电压

 12.输出容性负载驱动能力

 13.温度系数（温度对输出的影响）

 14.静态功耗（做低功耗需要）

 15.电压调整率（负载调整率）：考虑在负载变化时输出的波动以及波动后的回复时间，越短越好

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审核编辑：刘清