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 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 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)-D’Vo=0 = Vout = 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 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 。