選擇最佳DC/DC變換器的要點(diǎn)及途徑

一、元器件的選擇

1.DC-DC電源變換器的三個(gè)元器件

1)開(kāi)關(guān)： 無(wú)論哪一種DC/DC變換器主回路使用的元件只是電子開(kāi)關(guān)、電感、電容。電子開(kāi)關(guān)只有快速地開(kāi)通、快速地關(guān)斷這兩種狀態(tài)。只有快速狀態(tài)轉換引起的損耗才小，目前使用的電子開(kāi)關(guān)多是雙極型晶體管、功率場(chǎng)效應管，逐步普及的有IGBT管，還有各種特性較好的新式的大功率開(kāi)關(guān)元件。

2)電感： 電感是開(kāi)關(guān)電源中常用的元件，由于它的電流，電壓相位不同，因此理論損耗為零。電感常為儲能元件，也常與電容公用在輸入濾波器和輸出濾波器上，用于平滑電流，也稱(chēng)它為扼流圈。其特點(diǎn)是流過(guò)它上的電流有“很大的慣性”.換句話(huà)說(shuō)，由于“磁通連續性”,電感上的電流必須是連續的，否則將會(huì )產(chǎn)生很大的電壓尖峰波。 電感為磁性元件，自然有磁飽和的問(wèn)題，多數情況下，電感工作在線(xiàn)性區，此時(shí)電感值為一常數，不隨端電壓與流過(guò)的電流而變化。但是，在開(kāi)關(guān)電源中有一個(gè)不可忽視的問(wèn)題，就是電感的繞線(xiàn)所引起的兩個(gè)分布參數(或稱(chēng)寄生參數)的現象。其一是繞線(xiàn)電阻，這是不可避免的;其二是分布式雜散電容，隨繞線(xiàn)工藝、材料而定。雜散電容在低頻時(shí)影響不大，隨頻率提高而漸顯出來(lái)，到一頻率以上時(shí)，電感也許變成電容的特性了。如果將雜散電容集成為一個(gè)，則從電感的等效電路可看出在一角頻率后的電容性。

3)電容： 電容是開(kāi)關(guān)電源中常用的元件，它與電感一樣也是儲存電能和傳遞電能的元件。但對頻率的特性卻剛好相反。應用上，主要是“吸收”紋波，具平滑電壓波形的作用。實(shí)際上的電容并不是理想的元件。電容器由于有介質(zhì)、接點(diǎn)與引線(xiàn)，形成一個(gè)等效串聯(lián)內電阻ESR.這種等效串聯(lián)內電阻在開(kāi)關(guān)電源中小信號控制上，以及輸出紋波抑制的設計上，起著(zhù)不可忽視的作用。另外電容等效電路上有一個(gè)串聯(lián)的電感，它在分析電路器濾波效果時(shí)非常重要。有時(shí)加大電容值并不能使電壓波形平直，就是因為這個(gè)串聯(lián)寄生電感起著(zhù)副作用。 電容的串聯(lián)電阻與接點(diǎn)和引出線(xiàn)有關(guān)，也與電解液有關(guān)。常見(jiàn)鋁電解電容的成分為AL2O3,導電率比空氣的大七倍，為了能提高電容量，把鋁箔表面做成有規律的凸凹不平狀，使氧化膜表面積加大，加入的電解液可在凸凹面上流動(dòng)。普通的鋁電解電容在高頻脈動(dòng)電流大幅度增加下，高頻阻抗溫度上升較大，成了開(kāi)關(guān)電源長(cháng)壽命的瓶頸。 所謂好電容耐反波電流，耐溫升，ESR值小。電容電解液受溫度影響，溫度升高，電阻減小，即電容串聯(lián)電阻減小，則是理想的。 溫度升高，等效串聯(lián)電阻加大，導致電容壽命減短，這是普通鋁電解電容的缺點(diǎn)。為改善這一缺點(diǎn)，將電解液覆蓋在氧化膜表面后將 其干燥形成固體式電解質(zhì)電容，即“鉭電容”.

2.器件選擇要點(diǎn)

只如果外接開(kāi)關(guān)管，最好選擇開(kāi)關(guān)三極管或功率MOS 管，注意耐壓和功耗。如果開(kāi)關(guān)頻率很高，電感可選用多線(xiàn)并繞的，以降低趨膚效應的影響。續流二極管一般選恢復時(shí)間短、正向導通電壓小的肖特基二極管，但要注意耐壓。如果輸出電壓很小(零點(diǎn)幾伏)，就必須使用MOS管續流。輸出濾波電容一般使用高頻電容，可減小輸出紋波同時(shí)降低電容的溫升。在取樣電路的上臂電阻并一個(gè)0.1~1μf電容，可以改善瞬態(tài)響應。 電源設計的器件選擇需要注意以下幾點(diǎn)：

1)選擇設計靈活性較大的DC/DC變換器，擴大電路設計的范圍;

2) 低消耗電流、高效率可延長(cháng)電池的使用壽命;

3) 可使用小型的外接元器件，實(shí)現產(chǎn)品小型化;

4)有力的技術(shù)支持工具。

二、選擇最佳DC/DC變換器的要點(diǎn)

最佳的開(kāi)關(guān)式DC/DC變換器是可以用最小的安裝成本滿(mǎn)足系統總體需要的。這可以通過(guò)一組描述開(kāi)關(guān)式DC/DC變換器性能的參數來(lái)衡量，它們包括：高效率、小的安裝尺寸、小的靜態(tài)電流、較小的工作電壓、低噪聲、高功能集成度、足夠的輸出電壓調節能力、低安裝成本。

1. 工作效率

①電感式DC/DC變換器：電池供電的電感式DC/DC變換器的轉換效率為80%~85%,其損耗主要來(lái)自外部二極管和調制器開(kāi)關(guān)。

②無(wú)電壓調節的電荷泵：為基本電荷泵(如TC7660H)。它具有很高的功率轉換效率(一般超過(guò)90%)，這是因為電荷泵的損耗主要來(lái)自電容器的ESR和內部開(kāi)關(guān)管的導通電阻(RDS-ON)，而這兩者都可以做得很低。

③帶電壓調節的電荷泵：它是在基本電荷泵的輸出之后增加了低壓差的線(xiàn)性調節器。雖然提供了電壓調節，但其效率卻由于后端調節器的功耗而下降。為達到最高的效率，電荷泵的輸出電壓應當與后端調節器調節后的電壓盡可能接近。

2. 安裝尺寸

①電感式DC/DC變換器：雖然很多新型電感式DC/DC變換器都可以提供SOT封裝，但它們通常仍然需要物理外形較大的外部電感器。而且電感式DC/DC變換器的電路布局自身也需要較大的板級空間(額外的去耦、特殊的地線(xiàn)處理、屏蔽等)。

②無(wú)電壓調節的電荷泵：電荷泵不用電感器，但需要外部電容器。新型電荷泵器件采用SOP封裝，工作在較高的頻率，因此可以使用占用空間較小的小型電容器(1μF)。電荷泵IC芯片和外部電容器合起來(lái)所占用的空間，還不如電感式DC/DC變換器中的電感大。利用電荷泵還很容易獲得正、負組合的輸出電壓。如TCM680器件僅用外部電容即可支持+2 UIN的輸出電壓。而采用電感式DC/DC變換器要獲得同樣的輸出電壓則需要獨立的兩個(gè)變換器，如用一個(gè)變換器，就得用具有復雜拓撲結構的變壓器。

③帶電壓調節的電荷泵：增加分立的后端電壓調節器占用了更多空間，然而許多此類(lèi)調節器都有SOT形式的封裝，相對減少了占用的空間。新型帶電壓調節的電荷泵器件，如TCM850,在單個(gè)8引腳50lC封裝中集成了電荷泵、后端電壓調節器和關(guān)閉控制。

3. 靜態(tài)電流

①電感式DC/DC變換器：頻率調制(PFM)電感式DC/DC變換器是靜態(tài)電流最小的開(kāi)關(guān)式DC/DC變換器，通過(guò)頻率調制進(jìn)行電壓調節可在小負載電流下使供電電流最小。

②無(wú)電壓調節的電荷泵：電荷泵的靜態(tài)電流與工作頻率成比例。多數新型電荷泵工作在150kHz以上的頻率，從而可使用1μF甚至更小的電容。為克服因此帶來(lái)的靜態(tài)電流大的問(wèn)題，一些電荷泵具有關(guān)閉輸入引腳，以在長(cháng)時(shí)間閑置的情況下關(guān)閉電荷泵，從而將供電電流降至接近零。

③帶電壓調節的電荷泵：后端電壓調節器增加了靜態(tài)電流，因此帶電壓調節的電荷泵在靜態(tài)電流方面比基本電荷泵要差。

4. 最小工作電壓

①電感式DC/DC變換器：電池供電專(zhuān)用電感式DC/DC變換器(如TC16)可在低至1V甚至更低的電壓下啟動(dòng)工作，因此非常適合用于單節電池供電的電子設備。

②無(wú)電壓調節的電荷泵/帶電壓調節的電荷泵：多數電荷泵的最小工作電壓為1.5V或更高，因此適合于至少有兩節電池的應用。

5. 產(chǎn)生的噪聲

①電感式DC/DC變換器：電感式DC/DC變換器是電源噪聲和開(kāi)關(guān)輻射噪聲(EMI)的來(lái)源。寬帶PFM電感式DC/DC變換器會(huì )在寬頻帶內產(chǎn)生噪聲?？刹扇√岣唠姼惺紻C/DC變換器的工作頻率，使其產(chǎn)生的噪聲落在系統的頻帶之外。

②無(wú)電壓調節的電荷泵/帶電壓調節的電荷泵：電荷泵不使用電感，因此其EMI影響可以忽略。泵輸入噪聲可以通過(guò)一個(gè)小電容消除。

6. 集成度

①電感式DC/DC變換器：現已開(kāi)發(fā)出集成了開(kāi)關(guān)調節器和其他功能(如電壓檢測器和線(xiàn)路調節器)的芯片。如TC16芯片就在一個(gè)SO-8封裝內集成了一個(gè)PFM升壓變換器、LD0和電壓檢測器。與分立實(shí)現方案相比，此類(lèi)器件提供了優(yōu)異的電氣性能，并且占用較小的空間。

②無(wú)電壓調節的電荷泵：基本電荷泵，如TC7660,沒(méi)有附加功能的集成，占用空間小。

③帶電壓調節的電荷泵：集成更多功能的帶電壓調節電荷泵芯片已成為目前的一種發(fā)展趨勢。很明顯，下一代帶調節電荷泵的功能集成度將可與電感式DC/DC變換器集成芯片相比。

7. 輸出調節

①電感式DC/DC變換器：電感式DC/DC變換器具有良好的輸出調節能力。一些電感式DC/DC變換器還具有外部補償引腳，允許根據應用“精細調整”輸出的瞬態(tài)響應特性。

②無(wú)電壓調節的電荷泵：此類(lèi)器件輸出沒(méi)有電壓調節，它們只簡(jiǎn)單地將輸人電壓變換為負或刀倍的輸出電壓。困此，輸出電壓會(huì )隨著(zhù)負載電流的增加而下降。雖然這對某些應用(如LCD偏置)并不是問(wèn)題，但不適用需要穩定的輸出電壓的應用場(chǎng)合。

③帶電壓調節的電荷泵：它通過(guò)后端線(xiàn)性電壓調節器(片上或外部)提供電壓調節(穩壓)。在一些情況下，需要為電荷泵增加開(kāi)關(guān)級數，以為后端調節器提供足夠的凈空間，這時(shí)就需要增加外部電容，從而會(huì )給尺寸、成本和效率帶來(lái)負面的影響。但后端線(xiàn)性調壓器可使帶調節電荷泵的輸出電壓的穩定性與電感式DC/DC變換器一樣。

8. 安裝成本

①電感式DC/DC變換器：近年來(lái)采用電感式DC/DC變換器的成本逐漸下降，并且對外部元件的需求也變得更少了。但電感式DC/DC變換器最少需要一個(gè)外部電感、電容和肖特基二極管。二極管、電感，再加上相對價(jià)格較高的開(kāi)關(guān)變換芯片，其總成本要比電荷泵高。

②無(wú)電壓調節的電荷泵：無(wú)電壓調節的電荷泵比電感式DC/DC變換器便宜，且僅需要外部電容(沒(méi)有電感)，節約了板空間、電感的成本，以及某些情況下的屏蔽成本。

③帶電壓調節的電荷泵：帶電壓調節的電荷泵的成本大約與電感開(kāi)關(guān)式DC/DC變換器本身的成本相當。在一些情況下，可采用外部后端電壓調節器以降低成本，但卻會(huì )增加所需的安裝空間和降低工作效率。

三、選擇最佳DC/DC變換器的途徑

1. 對于工作效率這個(gè)方面，最佳DC/DC變換器的選擇是：無(wú)電壓調節式電荷泵(在不需要嚴格的輸出調節的應用中)，或帶電壓調節式電荷泵(如果后端調節器兩端的壓差足夠小)。

2. 對于安裝尺寸這個(gè)方面，最佳DC/DC變換器的選擇是：無(wú)電壓調節或帶電壓調節電荷泵。

3. 對于靜態(tài)電流這個(gè)方面，最佳DC/DC變換器的選擇是：電感式DC/DC變換器，特別是頻率調制(PFM)開(kāi)關(guān)式。

4.對于最小工作電壓這個(gè)方面，最佳DC/DC變換器的選擇是：電感式DC/DC變換器。

5. 對于產(chǎn)生的噪聲這個(gè)方面，最佳DC/DC變換器的選擇是：無(wú)電壓調節或帶電壓調節的電荷泵。

6.對于集成度這個(gè)方面，最佳DC/DC變換器的選擇是：電感式DC/DC變換器。

7.對于輸出調節這個(gè)方面，最佳DC/DC變換器的選擇是：帶電壓調節的電荷泵。

8.對于安裝成本這個(gè)方面，最佳DC/DC變換器的選擇是：在不需要嚴格穩壓的場(chǎng)合的最佳選擇為無(wú)電壓調節的電荷泵;若為對輸出電壓穩壓有要求的場(chǎng)合，選擇帶電壓調節的電荷泵和電感式DC/DC變換器的成本大致相當。