选择正确的DC/DC转换器拓扑

基于电子设备的处理器系统设计人员经常在选择最佳电源架构时遇到困难。有时最佳的解决方案是插入式电源，而有时采用分立的元件组成的电源才是最佳解决方案。选择插入式电源解决方案相对来说比较直接，但对于缺乏电源设计经验的数字设计人员来说，设计一个分立电源解决方案可能会使他望而却步。大多 DC/DC 电源控制 IC 供应商均可提供有助于电路设计的详细辅助材料。但是，在开始电源设计之前，设计人员必须选择正确的拓扑。本文将介绍以下方法，来帮助为某些用于MCU、DSP及基于 FPGA  的电子产品的最常用结构选择正确的电源拓扑。

图1  无感应器开关转换器效率曲线示例

图2  基于感应器的开关转换器效率曲线示例

线性调节器／控制器
线性调节器是最简单的转换器，它把高输入电压降低为低输出电压，其输入电流等于输出电流。线性调节器由误差放大器、参考电压及路径元件组成，可以进行完全集成，也可以由控制 IC 与外部路径元件构成。路径元件可以是双极晶体管或 MOSFET。线性调节器的优点在于其简易性与相对无噪声／波纹的输出电压，它需要的唯一无源辅助元件是输入与输出电容器。其主要缺点是，对于输入／输出压差较大的应用来说，效率极低。功耗是以散热的形式损耗的，因此，如果应用具有较大输出电流，调节器封装的功耗要求会很高。由于可以选择路径元件来提供更高的电流及适当的散热量，因此在高电流电平时，采用外部路径元件的线性调节器只有少许优势。
线性调节器的另一个限制是它要求具备最低输入－输出压差或压降，以便保持调节。即使在高电流电平时，许多采用内部路径元件的最新调节器仍然具有极低的压降，因此能够以极低的输入电压运行。例如，采用 1.5V 固定输出电压的TPS72515 就可在仅 1.8V 下以  750mA 输出电流运行，因此可达到83％的效率。

无感应器的 DC/DC 转换器
开关调节器在分立包中把能量从输入移到输出。感应器或电容器可作为能量存储单元，将能量从电源电路的输入移到输出。与只能降低电压的线性调节器不同，这些转换器可以升高、降低或转换输入电压。另外，能量存储单元可实现不相等的输入／输出电流。例如，开关调节器可将 5V 的低电流电源降低为 3.3V 的高电流电源，或者把 3.3V 的高电流电源升高为 5V 的低电流电源。因此，这些转换器可以达到比线性调节器高得多的效率。
最简单的开关调节器是“无感应器”开关 DC/DC 转换器，也称充电泵。充电泵采用多个开关及电容器把电荷通过一个或多个“飞速”电容器从输入电源移动到输出电容器。这种转换器的主要优点在于设计简单并具有高效性。图1显示了 TPS60130 300mA、无感应器开关电容器的效率曲线。
为了在大输入－输出电压范围内实现更高的效率，转换器可以在乘法模式(如1.5X、2X 等)之间切换。乘法模式的改变会造成图1效率曲线的步进改变。如果没有反馈调节的话，这种转换器只能以成倍的输入电压提供输出电压。因此，存在不同的反馈调节方法来提供不同的输出电压，每种反馈方法都会不同地影响转换器的效率与波纹，因此应根据应用的需要进行选择。

基于感应器的 DC/DC 转换器
基于感应器的开关转换器 IC 包含控制电路与至少一个集成开关，而开关控制器 IC 只有控制电路且需要外部开关。带有外部开关且基于感应器的开关转换器与控制器的输出电流范围比无感应器的转换器更广泛。还存在几种其他配置，其中一些配置是上述基本降压、升压及反向转换器的简单组合，因此为特定应用提供了更多功能或更高的性能。所有这些开关转换器均至少将一个感应器用作储能单元与输出电容器。与开关转换器、线性调节器及无感应器开关转换器相比，大负载范围的高效性是其主要优势。图2为 TPS62200 降压转换器的效率曲线。
开关转换器的主要缺点是成本(包含设计时间、元件数及板尺寸)，以及输出噪声／波纹。设计时间包括检查各种配置、开关方式、操作模式以及反馈控制方案等，其中每种都会有较高的成本、效率及输出噪声影响。限制成本、最小化板面积及提供高效率与低波纹的关键，还在于选择外部元件，包括感应器、输出电容器、以及可能用于外部开关的二极管或 FETS。所有这些设计选择都使开关转换器黯然失色，但是它能够提供高效率，某些情况下甚至高达95％以上，这就弥补了设计时间和元件成本的劣势。
针对具体应用，权衡成本、效率、以及输出噪声或波纹，来选择最佳的分立 DC/DC 转换器。表1根据4个因素对比了各种转换器：最高输出电流、效率、输出波纹／噪声及总成本。
一旦选择了 DC/DC 转换器拓扑，设计人员就可以利用制造商提供的设计辅助材料来选择能够实现最高效率、最低成本、最低输出噪声及波纹的转换器设计。