DC-DC轉換器設計

1 開(kāi)關(guān)型穩壓器

開(kāi)關(guān)型穩壓器通常利用電感、變壓器或電容器作為儲能元件來(lái)將輸入能量傳遞給輸出負載。其反饋電路用于調節能量的傳輸，保證在限定的負載電流范圍內保持恒定的輸出電壓。轉換器的基本電路結構包括升壓型、降壓型和反相型等，圖1所示是DC-DC變換器的幾種典型結構，當利用變壓器作儲能元件時(shí)，可以實(shí)現輸出與輸入之間的隔離。

在電源供電系統中選擇開(kāi)關(guān)型DC-DC轉換器可以獲得較高的效率和較低的熱耗，從而可有效延長(cháng)電源的使用壽命。同時(shí)通過(guò)在輸出級添加適當的濾波電路，還能夠將輸出電壓紋波降低至較小的范圍。

2 開(kāi)關(guān)型穩壓器控制技術(shù)

開(kāi)關(guān)型穩壓器的控制結構如圖2所示，常見(jiàn)的DC-DC轉換控制技術(shù)有脈沖頻率調制（PFM）、限流型PFM、脈沖寬度調制（PWM）等。PFM調制電路的開(kāi)關(guān)信號占空比通常保持為50%，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)頻率可提供穩定的輸出電壓。該電路結構比較簡(jiǎn)單，但電感的選擇比較困難，因此輸出電壓有較大的紋波，而且，輸出噪聲/紋波的頻譜在不同負載時(shí)有較大的變化范圍。限流型PFM結構與PFM類(lèi)似，但在電路中引入了電感峰值電流限制電路和一個(gè)單穩態(tài)電路，這樣，一旦輸出電壓跌落到所允許的門(mén)限值時(shí)，控制電感充電的開(kāi)關(guān)將導通以為電感提供充電，直到電感電流達到所設置的電流門(mén)限為止。通常需要在電感的電流通路內連接一個(gè)電流檢測電阻。當電感電流達到預置值門(mén)限后，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)并保持一段固定的時(shí)間（一般為μs級），以便其內部單穩態(tài)電路進(jìn)行控制。在單穩態(tài)保持時(shí)間結束時(shí)，系統便將VOUT與一個(gè)固定的基準電壓進(jìn)行比較，從而確定是否接通開(kāi)關(guān)。由于電感的峰值電流是固定的，因而電感的選擇比較容量，只要保證電感的磁芯滿(mǎn)足峰值電流的要求即可。另外，固定的峰值電流，也使得輸出電壓的紋波比標準PFM結構低得多。當然，輸出噪聲的頻譜仍然隨負載而改變。

PWM控制技術(shù)能保持固定的開(kāi)關(guān)頻率，并可通過(guò)改變電感的充電、放電時(shí)間來(lái)保持穩定的負載電壓。這種控制技術(shù)能夠在較寬的負載范圍內保持較高的轉換效率。此外，由于開(kāi)關(guān)頻率是固定的，因而使得噪聲頻譜的帶寬很窄。這樣，只需簡(jiǎn)單的低通濾波器應能大大降低輸出電壓的紋波，因此，這種控制結構可被廣泛應用于電信設備等對噪聲干擾較為敏感的應用系統。

3 控制電路

圖3為典型的PWM控制電路，圖中的VOUT經(jīng)過(guò)分壓后送入比較器的反相輸入端，比較器的同相輸入為基準電壓VREF。當分壓后的VOUT低于VREF時(shí)，比較器輸出信號以控制多諧振蕩器工作，方波信號切換到開(kāi)關(guān)控制端，控制開(kāi)關(guān)迅速導通或斷開(kāi)而使能量反復地存儲到電感中、進(jìn)而傳遞給輸出電容。圖4為限流型PFM控制結構，該電路要比較3復雜一些，圖4有兩個(gè)比較器：一個(gè)用于監測輸出反饋電壓，另一個(gè)用于監測電感的峰值電流。當輸出電壓超出穩壓范圍時(shí)，SR觸發(fā)器控制N溝道MOSFET導通，直到電感電流達到所要求的上限值。MOSFET斷開(kāi)后，單穩態(tài)定時(shí)器被觸發(fā)，開(kāi)關(guān)在規定的時(shí)間內保持開(kāi)路狀態(tài)。

PWM控制器有兩種不同的結構。其中電壓模式PWM控制器如圖5（a）所示，電流模式PWM控制器如圖5(b)所示。電壓模式PWM控制器將反饋電壓與基準電壓之間的誤差加以放大，然后將放大后的誤差信號作為比較器的門(mén)限與控制器內部的斜波電壓發(fā)生器的電壓輸出進(jìn)行比較，最后用比較器輸出來(lái)驅動(dòng)主開(kāi)關(guān)。電壓模式PWM控制器的誤差電壓越大、比較器門(mén)限值就越高，開(kāi)關(guān)保持導通的時(shí)間也越大，電感的峰值電流也就越大，從而保證電感可存儲足夠的能量以維持負載電壓的穩定。電流模式PWM控制器中加入了電流檢測功能，電感電流與誤差電壓產(chǎn)生的門(mén)限值相比較，開(kāi)關(guān)在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿導通，當電感電流達到峰值門(mén)限時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。這種控制結構比電壓模式PWM控制器更能改善系統的穩定性。

開(kāi)關(guān)穩壓器中功率消耗最大的元件是二極管，其功率消耗為二極管導通壓降與電流的乘積。由于該功耗將會(huì )降低系統的總體效率。因此，為減小這一損耗，絕大多數DC-DC轉換器中選用肖特基二極管。因為它具有極小的導通壓降，而且開(kāi)關(guān)速率很高。因此可最大限度地提高效率。也可用一個(gè)開(kāi)關(guān)替代二極管（即所謂的“同步整流結構”），以使其在主開(kāi)關(guān)閉合時(shí)同步整流開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，主開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)同步整流開(kāi)關(guān)閉合。但是，為了避免兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導通造成系統損壞，該開(kāi)關(guān)需要置成“導通前先斷開(kāi)”的結構。因此，在斷開(kāi)主開(kāi)關(guān)與閉合同步整流開(kāi)關(guān)之間，二極管將流過(guò)一個(gè)起始電流。

PWM控制器的另外一種結構是如圖6所示的Idle-ModeTM PWM控制器，這種控制器在輕載時(shí)的工作過(guò)程如同PFM，重載時(shí)則與PWM控制器相同，由于它結合了輕載下PFM控制器的高效率和重載下PWM控制器的高效低噪等優(yōu)點(diǎn)，因而能夠在較寬的負載范圍內獲得最高的轉換效率。