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[讨论] 选择最佳DC/DC变换器的要点及途径

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发表于 2014-10-23 08:53 | 显示全部楼层 |阅读模式
      DC-DC电源变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被应用于更广泛的应用领域。DC-DC变换器是通信设备中最常用的功能电路之一,其质量和效率直接影响通信设备的正常运行。
一、元器件的选择

  1.DC-DC电源变换器的三个元器件

  1)开关:  无论哪一种DC/DC变换器主回路使用的元件只是电子开关、电感、电容。电子开关只有快速地开通、快速地关断这两种状态。只有快速状态转换引起的损耗才小,目前使用的电子开关多是双极型晶体管、功率场效应管,逐步普及的有IGBT管,还有各种特性较好的新式的大功率开关元件。

  2)电感:  电感是开关电源中常用的元件,由于它的电流,电压相位不同,因此理论损耗为零。电感常为储能元件,也常与电容公用在输入滤波器和输出滤波器上,用于平滑电流,也称它为扼流圈。其特点是流过它上的电流有“很大的惯性”.换句话说,由于“磁通连续性”,电感上的电流必须是连续的,否则将会产生很大的电压尖峰波。  电感为磁性元件,自然有磁饱和的问题,多数情况下,电感工作在线性区,此时电感值为一常数,不随端电压与流过的电流而变化。但是,在开关电源中有一个不可忽视的问题,就是电感的绕线所引起的两个分布参数(或称寄生参数)的现象。其一是绕线电阻,这是不可避免的;其二是分布式杂散电容,随绕线工艺、材料而定。杂散电容在低频时影响不大,随频率提高而渐显出来,到一频率以上时,电感也许变成电容的特性了。如果将杂散电容集成为一个,则从电感的等效电路可看出在一角频率后的电容性。

  3)电容:  电容是开关电源中常用的元件,它与电感一样也是储存电能和传递电能的元件。但对频率的特性却刚好相反。应用上,主要是“吸收”纹波,具平滑电压波形的作用。实际上的电容并不是理想的元件。电容器由于有介质、接点与引线,形成一个等效串联内电阻ESR.这种等效串联内电阻在开关电源中小信号控制上,以及输出纹波抑制的设计上,起着不可忽视的作用。另外电容等效电路上有一个串联的电感,它在分析电路器滤波效果时非常重要。有时加大电容值并不能使电压波形平直,就是因为这个串联寄生电感起着副作用。  电容的串联电阻与接点和引出线有关,也与电解液有关。常见铝电解电容的成分为AL2O3,导电率比空气的大七倍,为了能提高电容量,把铝箔表面做成有规律的凸凹不平状,使氧化膜表面积加大,加入的电解液可在凸凹面上流动。普通的铝电解电容在高频脉动电流大幅度增加下,高频阻抗温度上升较大,成了开关电源长寿命的瓶颈。  所谓好电容耐反波电流,耐温升,ESR值小。电容电解液受温度影响,温度升高,电阻减小,即电容串联电阻减小,则是理想的。  温度升高,等效串联电阻加大,导致电容寿命减短,这是普通铝电解电容的缺点。为改善这一缺点,将电解液覆盖在氧化膜表面后将 其干燥形成固体式电解质电容,即“钽电容”.

  2.器件选择要点

  只如果外接开关管,最好选择开关三极管或功率MOS 管,注意耐压和功耗。如果开关频率很高,电感可选用多线并绕的,以降低趋肤效应的影响。续流二极管一般选恢复时间短、正向导通电压小的肖特基二极管,但要注意耐压。如果输出电压很小(零点几伏),就必须使用MOS管续流。输出滤波电容一般使用高频电容,可减小输出纹波同时降低电容的温升。在取样电路的上臂电阻并一个0.1~1μf电容,可以改善瞬态响应。  电源设计的器件选择需要注意以下几点:


  1)选择设计灵活性较大的DC/DC变换器,扩大电路设计的范围;

  2) 低消耗电流、高效率可延长电池的使用寿命;

  3) 可使用小型的外接元器件,实现产品小型化;

  4)有力的技术支持工具。

  二、选择最佳DC/DC变换器的要点

  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。

  1. 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。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。

  2. 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+2 UIN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。

  3. 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。

  4. 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。

  5. 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。

  6. 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。

  7. 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。



  8. 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。

  三、选择最佳DC/DC变换器的途径

  1. 对于工作效率这个方面,最佳DC/DC变换器的选择是: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)。

  2. 对于安装尺寸这个方面,最佳DC/DC变换器的选择是:无电压调节或带电压调节电荷泵。

  3. 对于静态电流这个方面,最佳DC/DC变换器的选择是:电感式DC/DC变换器,特别是频率调制(PFM)开关式。

  4.对于最小工作电压这个方面,最佳DC/DC变换器的选择是:电感式DC/DC变换器。

  5. 对于产生的噪声这个方面,最佳DC/DC变换器的选择是:无电压调节或带电压调节的电荷泵。

  6.对于集成度这个方面,最佳DC/DC变换器的选择是:电感式DC/DC变换器。

  7.对于输出调节这个方面,最佳DC/DC变换器的选择是:带电压调节的电荷泵。

  8.对于安装成本这个方面,最佳DC/DC变换器的选择是: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。


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