電感式DC/DC

它是通過電感不斷的儲(chǔ)能/放電，最后達(dá)到穩(wěn)定電壓/電流輸出的轉(zhuǎn)換器。根據(jù)輸出電壓與輸入電壓的高低比較，可以分為boost(輸出電壓遠(yuǎn)高于輸入電壓)和buck(輸出電壓低于輸入電壓)。它們的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同。

Boost一般用于lcd串聯(lián)背光驅(qū)動(dòng)以及oled驅(qū)動(dòng)，一般使用得輸出電壓在十幾伏。

Buck 用于多媒體協(xié)處理器的核電壓。

1. 工作原理(BUCK)

上圖降壓轉(zhuǎn)換器最基本的電路：是利用MOSFET開關(guān)閉合時(shí)在電感器中儲(chǔ)能，并產(chǎn)生電流。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，貯存的電感器能量通過二極管輸出給負(fù)載。 輸出電壓值與占空比(開關(guān)開啟時(shí)間與整個(gè)開關(guān)周期之間的比 )有關(guān)。

2. 整流二極管的選擇

該二極管必須具有與輸出電壓相等或更大的反向額定電壓。其平均額定電流必須比所期望的最大負(fù)載電流大得多。其正向電壓降必須很低，以避免二極管導(dǎo)通時(shí)有過大的損耗。此外，因?yàn)镸OSFET工作于高頻開關(guān)模式，所以需要二極管具有從導(dǎo)通狀態(tài)到非導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，很快恢復(fù)。反應(yīng)速度越快，DC/DC的效率越高。

肖特基二極管(而非傳統(tǒng)的超快速二極管)具有更低的正向電壓降和極佳的反向恢復(fù)特性。

3. 同步整流技術(shù)

同步整流是采用通態(tài)電阻極低的專用功率MOSFET，來取代整流二極管以降低整流損耗的一項(xiàng)新技術(shù)。它能大大提高DC/DC變換器的效率。功率MOSFET屬于電壓控制型器件，它在導(dǎo)通時(shí)的伏安特性呈線性關(guān)系。用功率MOSFET做整流器時(shí)，要求柵極電壓必須與被整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能，故稱之為同步整流。

當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，二極管的正向電壓的影響很重要，它將降低轉(zhuǎn)換器的效率。物理特性的極限使二極管的正向電壓降難以降低到0.3V以下。相反，可以通過加大硅片的尺寸或并行連接分離器件來降低MOSFET的導(dǎo)通電阻RDS(ON)。因此，在給定的電流下，使用一個(gè)MOSFET來替代二極管可以獲得比二極管小很多的電壓降。

在同步降壓轉(zhuǎn)換器中，通過用兩個(gè)低端的MOSFET來替換肖特基二極管可以提高效率(圖1b)。這兩個(gè)MOSFET必須以互補(bǔ)的模式驅(qū)動(dòng)，在它們的導(dǎo)通間隙之間有一個(gè)很小的死區(qū)時(shí)間(dead time)，以避免同時(shí)導(dǎo)通。同步FET工作在第三象限，因?yàn)殡娏鲝脑礃O流到漏極。

4. 電感器的選擇

隨著開關(guān)的打開和閉合，升壓電感器會(huì)經(jīng)歷電流紋波。一般建議紋波電流應(yīng)低于平均電感電流的20%。電感過大將要求使用大得多的電感器，而電感太小將引起更大的開關(guān)電流，特別在輸出電容器中，而這又要求更大的電容器。

電感值的選擇取決于期望的紋波電流。如等式1所示，較高的VIN或VOUT也會(huì)增加紋波電流。電感器當(dāng)然必須能夠在不造成磁芯飽和(意味著電感損失)情況下處理峰值開關(guān)電流。

由公式可以得出：

(1) 開關(guān)頻率越高，所需的電感值就可以減小;

(2) 電感值增大，可以降低紋波電流和磁芯磁滯損耗。但電感值的增大，電感尺寸也相應(yīng)的增大，電流變化速度也減慢。

為了避免電感飽和，電感的額定電流值應(yīng)該是轉(zhuǎn)換器最大輸出電流值與電感紋波電流之和。

電感的直流電阻(RDC)，取決于所采用的材料或貼片電感器的構(gòu)造類型，在室溫條件下通過簡單的電阻測量即可獲得。RDC的大小直接影響線圈的溫度上升。因此，應(yīng)當(dāng)避免長時(shí)間超過電流額定值。

線圈的總耗損包括RDC中的耗損和下列與頻率相關(guān)聯(lián)的耗損分量：磁芯材料損耗(磁滯損耗、渦流損耗);趨膚效應(yīng)造成的導(dǎo)體中的其他耗損(高頻電流位移);相鄰繞組的磁場損耗(鄰近效應(yīng));輻射損耗。

將上述所有耗損分量組合在一起構(gòu)成串聯(lián)耗損電阻(Rs)。耗損電阻主要用于定義電感器的品質(zhì)。然而，我們無法用數(shù)學(xué)方法確定Rs，一般采用阻抗分析儀在整個(gè)頻率范圍內(nèi)對(duì)電感器進(jìn)行測量。

電感線圈電抗(XL)與總電阻(Rs)之比稱為品質(zhì)因素Q，參見公式(2)。品質(zhì)因素被定義為電感器的品質(zhì)參數(shù)。損耗越高，電感器作為儲(chǔ)能元件的品質(zhì)就越低。

品質(zhì)—頻率圖可以幫助選擇針對(duì)特定應(yīng)用的最佳電感器結(jié)構(gòu)。如測量結(jié)果圖2所示，可以將損耗最低(Q值最高)的工作范圍定義為一直延伸到品質(zhì)拐點(diǎn)。如果在更高的頻率使用電感器，損耗會(huì)劇增(Q降低)。

良好設(shè)計(jì)的電感器效率降低微乎其微。不同的磁芯材料和形狀可以相應(yīng)改變電感器的大小/電流和價(jià)格/電流關(guān)系。采用鐵氧體材料的屏蔽電感器尺寸較小，而且不輻射太多能量。選擇何種電感器往往取決于價(jià)格與尺寸要求以及相應(yīng)的輻射場/EMI要求。

5. 輸入電容的選擇

因?yàn)閎uck有跳躍的輸入電流，需要低ESR的輸入電容，實(shí)現(xiàn)最好的輸入電壓濾波。輸入電容值必須足夠大，來穩(wěn)定重負(fù)載時(shí)的輸入電壓。如果用陶瓷輸出電容，電容RMS紋波電容范圍應(yīng)該滿足應(yīng)用需求。

陶瓷電容具有低ESR值，表現(xiàn)出良好的特性。并且與鉭電容相比，陶瓷電容對(duì)瞬時(shí)電壓不敏感。

6. 輸出電容的選擇

輸出電容器的有效串聯(lián)電阻(ESR)和電感器值會(huì)直接影響輸出紋波電壓。利用電感器紋波電流((IL)和輸出電容器的ESR可以簡單地估測輸出紋波電壓。

輸出電壓紋波是由輸出電容的ESR引起的電壓值，和由輸出電容沖放電引起的電壓紋波之和

有些廠家的DC/DC產(chǎn)品的內(nèi)部由補(bǔ)償環(huán)路，以實(shí)現(xiàn)最佳的瞬態(tài)響應(yīng)和環(huán)路穩(wěn)定性。當(dāng)然，內(nèi)部補(bǔ)償能夠理想地支持一系列工作條件，而且能夠敏感地響應(yīng)輸出電容器參數(shù)變化。

7. BOOST 與 BUCK的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如上圖，BOOST 與 BUCK電路結(jié)構(gòu)不一樣, Boost 電路是電感在輸入電源與升壓整流管之間, 開關(guān)管接電源地. BUCK 是電感在開關(guān)管與出電源之間,續(xù)流二級(jí)管反向接開關(guān)管與電源地.