教你如何选择最佳的开关式DC/DC转换器

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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。
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。

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三种典型的DC/DC变换器框图

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。

工作效率

①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。

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。

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。

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)。

安装尺寸

①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)。

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。

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。

最佳选择是:无电压调节或带电压调节电荷泵。

静态电流

①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。

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。

③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。
最佳选择是:电感式DC/DC变换器,特别是频率调制(PFM)开关式。

最小工作电压

①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。

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。
最佳选择是:电感式DC/DC变换器。

产生的噪声

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。

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。
最佳选择是:无电压调节或带电压调节的电荷泵。

集成度

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。

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。

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。
最佳选择是:电感式DC/DC变换器。

输出调节

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。

②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。

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。

最佳选择是:带电压调节的电荷泵。

安装成本

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。

②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。

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。

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。

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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