几乎所有的电子系统都需要恒压电源或者恒流电源，DC to DC变换器是用于提供直流(DC)电源的器件。DC-DC实际上是个很宽的概念，广义上包括所有的从直流变换到直流的变压器件，可分为线性变换器和开关变换器2种。线性变换器中比较常用到的细分种类是LDO，而开关变换器就是通常所说的狭义上的DC-DC。
1，开关变换器
开关变换器，指利用电感、电容的储能的特性，通过可控开关器件(MOSFET等)进行高频率的周期性的开通和关断，将输入的电能储存在电感（容）里，当开关断开时，电能再释放给负载，提供能量。
所以，开关变换器根据储能器件不同又可以分为电感储能型和电容储能型2种。电感储能型DCDC就是电子产品中最常用的那种需要外挂个功率电感的常规DCDC，而电容储能型DCDC变换器通常又被叫作电荷泵(bèng)。
我们常用的电感储能型DC-DC产品有三种类型，分别为BUCK（降压型）、BOOST（升压型）和BUCK/BOOST型（升降压型）。
另外，如果用变压器来代替储能电感，就是隔离型DCDC，隔离型又分多种：单端正激（Forward）、单端反激(Flyback)、双管正激(Double transistor forward converter)、双管反激（Double transistor flybackconverter）、推挽电路（Push-pull converter）和半桥电路（Half-bridge converter）等。隔离型不是本文要讲的重点。
2，线性变换器
线性型，是从电源向负载连续的输送功率，传输能量器件（如晶体管、场效应管）工作于线性区，其负责调节从电源至负载的电流流动。线性稳压器属于广义的DC-DC变换器，而LDO又是一种低压差的线性稳压器。
二，线性稳压器。
1，原理：
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。
2，特性
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）；
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；
缺点：
在 VIN比VOUT大的比较多的情况下电能变换效率较低；
浪费的电能(VIN–VOUT)*IOUT通过线性稳压器以热能的方式耗散，可能需要一个散热器；
只能降压，也就是始终VOUT 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，或者压差大电流小的应用； 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； 小功率的应用； 三、电感储能型开关稳压器。 电感储能型DCDC是通过电感不断的储电/放电，最后达到稳定电压/电流输出的转换器。 1，原理： 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。 下图以降压型转换器为例，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。 输出电压值与占空比有关。 其中，D为占空比（开关处于为L充电之位置的时间百分比），D’ = 1-D。 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。 2，分类： 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。 同步与非同步。 同步整流技术，是采用通态电阻极低的专用功率MOSFET，来取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术。它能大大提高DC／DC变换器的效率。功率MOSFET属于电压控制型器件，它在导通时的伏安特性呈线性关系。用功率MOSFET做整流器时，要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能，故称之为同步整流。 当输出电压降低时，二极管的正向电压的影响很重要，它将降低转换器的效率。物理特性的极限使二极管的正向电压降难以降低到0.3V以下。相反，可以通过加大硅片的尺寸或并行连接分离器件来降低MOSFET的导通电阻RDS(ON)。因此，在给定的电流下，使用一个MOSFET来替代二极管可以获得比二极管小很多的电压降。 在同步降压转换器中，通过用两个低端的MOSFET来替换肖特基二极管可以提高效率。这两个MOSFET必须以互补的模式驱动，在它们的导通间隙之间有一个很小的死区时间（dead time），以避免同时导通。同步FET工作在第三象限，因为电流从源极流到漏极。 非同步降压的优缺点： 在输出电流变化的情况下，二极管压降相对较恒定（Vf vs If）； 效率偏低； 成本较低； 比较适宜较高的输出电压； 同步降压的优缺点： MOSFET 具有较低的压降； 更高效； 需要额外的控制电路确保死区和下管驱动信号； 成本较高； 隔离式与非隔离式。 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。 控制器与稳压器。 控制器特点： – 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； • 全集成型稳压器特点： – 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； • 部分集成型稳压器特点： – 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； 3，特点 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，因此： – 可获得较高的效率， – 通过稳压器耗散的功率较低，发热量也偏小， – 开关电源拓扑允许 VOUT 高于、低于或等于 VIN， – 高功率密度， – 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）； 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； 适用场景： 要求电能转换效率高的应用； 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； 四、电荷泵(bèng)。 电荷泵为电容储能型DC-DC产品，可以进行升压，也可以作为降压使用，还可以进行反压输出。电荷泵消除了电感器和变压器所带有的磁场和电磁干扰。 电荷泵可以依据电池电压输入不断改变其输出电压。例如，当电池的输入电压较低时，电荷泵可以产生一个相当于输入电压的1.5倍的输出电压。而当电池的电压较高时，电荷泵则在1倍模式下运行，此时负载电荷泵仅仅是将输入电压传输到负载中。这样就在输入电压较高的时候降低了输入电流和功率损耗。 1，原理： 1.1，开关原理 电荷泵是通过外部一个快速充电电容（Flying Capacitor），内部以一定的频率进行开关，对电容进行充电，并且和输入电压一起，进行升压（或者降压）转换，最后以恒压输出。 电容器连接利用开关来改变，从而达到控制充电和放电的目的。如下图： 开关 S1、S3 和 S2、S4 以互补的方式切换。 当S1、S3 导通，S2、S4 断开时，为充电。 当S1、S3 断开，S2、S4 导通时，为放电。 另外，通过反转输出至地的连接，单位增益变换器将变为负增益反相器。 1.2，电压倍增器(倍压电路） 电路图例如下： 当S1、S3 导通，S2、S4 断开时，为增益相位。 当S1、S3 断开，S2、S4 导通时，为公共相位。不过，在公共相位中，输入电源仍然连接至电容器：Vout=Vc+Vin=2Vin. 通过交换 Vin 和 Vout，相同的倍增器电路将产生原先一半的增益。 另外，如果在充电泵中内置了两个电容器，通过改变连接组合可产生许多不同的增益。下图示出了两个电容器的一些连接配置以及所能实现的最终增益。 图中最后一个示例是针对所有增益的相同公共相位连接。假设 C1=C2。 1.3，电荷泵稳压方法 通过增设一个后置稳压器级，充电泵将能够实现精细的输出电压，而且，还可以控制开关阻抗以使其实际上起一个后置稳压器的作用。 其中，Rout 是有效输出阻抗，包括开关阻抗(Rsw) 及开关电容器阻抗 1/(2Pi*Fsw*Cf)； 通过控制 Fsw 或Rsw 可完成输出电压的精细调节。 稳压方法1，控制频率：脉冲-频率调制 (PFM)。 通过跳过不需要的脉冲以保持输出电压的恒定。 优点：非常低的静态电流、较高的效率。 缺点：较高的输出电压纹波、频率发生变化。 稳压方法2，控制电阻：恒定频率稳压（PWM）， 通过改变内部开关的电阻来调节输出。 优点：低电压纹波、固定频率。 缺点：高静态电流。 2，特点 2.1，优点： 电能变换效率中等； 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； 2.2，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； 适用场景： 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； 存在空间的应用； 3，效率 电荷泵的效率是根据电荷泵的升压模式，输入电压和输出电压所决定，如果是以2倍压模式进行升压，那么它的效率为Vout/2Vin。输入电压越小，效率越高。 4，电荷泵选用要点 选用电荷泵时考虑以下几个要素： • 转换效率要高； • 静态电流要小，可以更省电； • 输入电压要低，尽可能利用电池的潜能； • 噪音要小，对手机的整体电路无干扰； • 功能集成度要高，外围器件少，占PCB板面积小，走线少而简单； • 足够的输出调整能力，电荷泵不会因工作在满负荷状态而发烫； • 具有使能控制端，可在长时间待机状态下关闭电荷泵，使供电电流消耗近乎为0。 5，电荷泵应用 在我们的设计中，电荷泵经常被用作白光LED驱动；一般在手机中应用于并联LCD背光驱动芯片，而串联背光驱动芯片则应选择电感式的DC/DC，因为它对电压要求较高。 五、变换器控制系统。 由于在电路中实现了闭环控制系统，因此变换器能够在各种不同的条件下提供一个恒定的电压输出。 1，原理。 简单的控制系统具有一条从输出至输入的反馈路径，系统增益是受控输出与基准输入之比。没有反馈路径H时，它是开环系统，增益为G；具有反馈路径H时，它是闭环系统，增益为G/(1+G*H)。如下图示： 其中，G*H 被称为环路增益（传递函数开环增益）。 原理电路图如下： 2，波特图(Bode Plots)。 控制系统的分析常常在波特图中进行，波特图是一种在频域中的增益大小和相位的曲线图。 控制系统可以采用传递函数来表示，因此用波特图来绘制其曲线。示例图如下： 其中增益大小以 dB (20log) 为单位来表示，相位以角度 (°) 来表示，而频率曲线则通常采用对数标度来绘制。 变换器的传递函数可利用其电路模型来推导，然后就能从传递函数获得波特图。或者也可以将一个小的 AC 信号（小的扰动）注入反馈环路，扫描其频率并探测和比较信号（环路响应），由此在网络分析仪上测量波特图。 在增益仍然为正值的情况下，当环路增益的相位接近 180° 时，闭环系统将变得不稳定。为了确保稳定性，在交叉频率下相位裕量必须为正，经验值通常保证30~45度相位裕度。见下图： 上图中，穿越频率fc是环路增益大小= 1时的频率；相位裕量（度）φm是穿越频率下环路增益的相位与-180°的差值。 3，补偿器。 闭环系统中包括一个用于调整环路增益、相位的补偿器，可确保系统的稳定性及优良的瞬态响应性能。补偿通常是通过改变误差放大器周围的R-C组件来调节的。 4，极点和零点。 极点特性： 斜率改变量为 -20 dB/ 十倍频； 1/10频到十倍频相移为 -90 0 (最大值)； 大多数影响都不超过 f p 的一个十倍频程（升或降）。 零点特性： 斜率改变量为 +20 dB/十倍频程； 相移为 +90 0 (最大值)； 起“反极点”的作用，这意味着其可消除极点。 六、PWM控制方式 电感储能型DCDC利用对输入电压进行脉冲调制可实现自动稳压。脉冲调制方式主要分为：PFM（Pulse Frequency Modulation，脉冲频率调制）、PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）两种。产品依此调制方式划分有以下三种类型。 脉冲频率调制：对于外围电路相同，在峰值效率以前，其效率远比PWM的高，且响应速度较快；但不易实现，通常被应用于DC-DC转换器来提高轻负载效率。 脉冲宽度调制：在重载时效率高、噪音低且较于PFM易于实现，成为目前主流技术； 混合型：工作在节电模式下的转换器在轻负载电流条件下使用PFM模式， 在较重负载电流条件下使用脉冲宽度调制(PWM)模式。 PWM控制方式。 PWM开关稳压器基本工作原理就是在输入电压变化、内部参数变化、外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳定。PWM的控制方式有电压控制模式和电流控制模式两种。 电压控制模式：利用输出电压作为反馈控制信号，占空比正比于实际输出电压与理想输出电压之间的误差差值。 电流控制模式：同时采用电流和负载电压作为控制信号，占空比正比于额定输出电压与变换器控制电流函数之间的误差差值。 电压控制模式的特点。 优点：（1）PWM三角波幅值较大，脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量； （2）占空比调节不受； （3）对输出负载的变化有较好的响应调节； 缺点：（1）对输入电压与负载电流的变化动态响应比较慢：因为系统为响应负载电流或输入电源的变化，必须“等待”负载电压的相应变化，由此引起控制信号Verr的变化后，才能实现对占空比d的调节。通常这种等待或延迟会影响系统的稳压特性。 （2）输出LC滤波器给控制环增加了双极点，在补偿设计误差放大器时，需要将主极点低频衰减，或者增加一个零点进行补偿。 电流控制模式的特点。 优点：（1）暂态闭环响应较快，对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应均快； （2）瞬时峰值电流限流功能； （3）输出电压的调整可与电压模式控制的输入电压前馈技术相媲美。 缺点：（1）占空比大于50%的开环不稳定性，存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差； （2）容易发生次谐波振荡。下载本文
