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干货 | 教你如何选择最佳的开关式DC-DC转换器

2019-07-07
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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:


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)。


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。 


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