選擇最佳DC/DC變換器的要點及途徑

一、元器件的選擇

1.DC-DC電源變換器的三個元器件

1)開關： 無論哪一種DC/DC變換器主回路使用的元件只是電子開關、電感、電容。電子開關只有快速地開通、快速地關斷這兩種狀態(tài)。只有快速狀態(tài)轉換引起的損耗才小，目前使用的電子開關多是雙極型晶體管、功率場效應管，逐步普及的有IGBT管，還有各種特性較好的新式的大功率開關元件。

2)電感： 電感是開關電源中常用的元件，由于它的電流，電壓相位不同，因此理論損耗為零。電感常為儲能元件，也常與電容公用在輸入濾波器和輸出濾波器上，用于平滑電流，也稱它為扼流圈。其特點是流過它上的電流有“很大的慣性”.換句話說，由于“磁通連續(xù)性”,電感上的電流必須是連續(xù)的，否則將會產(chǎn)生很大的電壓尖峰波。 電感為磁性元件，自然有磁飽和的問題，多數(shù)情況下，電感工作在線性區(qū)，此時電感值為一常數(shù)，不隨端電壓與流過的電流而變化。但是，在開關電源中有一個不可忽視的問題，就是電感的繞線所引起的兩個分布參數(shù)(或稱寄生參數(shù))的現(xiàn)象。其一是繞線電阻，這是不可避免的;其二是分布式雜散電容，隨繞線工藝、材料而定。雜散電容在低頻時影響不大，隨頻率提高而漸顯出來，到一頻率以上時，電感也許變成電容的特性了。如果將雜散電容集成為一個，則從電感的等效電路可看出在一角頻率后的電容性。

3)電容： 電容是開關電源中常用的元件，它與電感一樣也是儲存電能和傳遞電能的元件。但對頻率的特性卻剛好相反。應用上，主要是“吸收”紋波，具平滑電壓波形的作用。實際上的電容并不是理想的元件。電容器由于有介質、接點與引線，形成一個等效串聯(lián)內電阻ESR.這種等效串聯(lián)內電阻在開關電源中小信號控制上，以及輸出紋波抑制的設計上，起著不可忽視的作用。另外電容等效電路上有一個串聯(lián)的電感，它在分析電路器濾波效果時非常重要。有時加大電容值并不能使電壓波形平直，就是因為這個串聯(lián)寄生電感起著副作用。 電容的串聯(lián)電阻與接點和引出線有關，也與電解液有關。常見鋁電解電容的成分為AL2O3,導電率比空氣的大七倍，為了能提高電容量，把鋁箔表面做成有規(guī)律的凸凹不平狀，使氧化膜表面積加大，加入的電解液可在凸凹面上流動。普通的鋁電解電容在高頻脈動電流大幅度增加下，高頻阻抗溫度上升較大，成了開關電源長壽命的瓶頸。 所謂好電容耐反波電流，耐溫升，ESR值小。電容電解液受溫度影響，溫度升高，電阻減小，即電容串聯(lián)電阻減小，則是理想的。 溫度升高，等效串聯(lián)電阻加大，導致電容壽命減短，這是普通鋁電解電容的缺點。為改善這一缺點，將電解液覆蓋在氧化膜表面后將 其干燥形成固體式電解質電容，即“鉭電容”.

2.器件選擇要點

只如果外接開關管，最好選擇開關三極管或功率MOS 管，注意耐壓和功耗。如果開關頻率很高，電感可選用多線并繞的，以降低趨膚效應的影響。續(xù)流二極管一般選恢復時間短、正向導通電壓小的肖特基二極管，但要注意耐壓。如果輸出電壓很小(零點幾伏)，就必須使用MOS管續(xù)流。輸出濾波電容一般使用高頻電容，可減小輸出紋波同時降低電容的溫升。在取樣電路的上臂電阻并一個0.1~1μf電容，可以改善瞬態(tài)響應。 電源設計的器件選擇需要注意以下幾點：

1)選擇設計靈活性較大的DC/DC變換器，擴大電路設計的范圍;

2) 低消耗電流、高效率可延長電池的使用壽命;

3) 可使用小型的外接元器件，實現(xiàn)產(chǎn)品小型化;

4)有力的技術支持工具。

二、選擇最佳DC/DC變換器的要點

最佳的開關式DC/DC變換器是可以用最小的安裝成本滿足系統(tǒng)總體需要的。這可以通過一組描述開關式DC/DC變換器性能的參數(shù)來衡量，它們包括：高效率、小的安裝尺寸、小的靜態(tài)電流、較小的工作電壓、低噪聲、高功能集成度、足夠的輸出電壓調節(jié)能力、低安裝成本。

1. 工作效率

①電感式DC/DC變換器：電池供電的電感式DC/DC變換器的轉換效率為80%~85%,其損耗主要來自外部二極管和調制器開關。

②無電壓調節(jié)的電荷泵：為基本電荷泵(如TC7660H)。它具有很高的功率轉換效率(一般超過90%)，這是因為電荷泵的損耗主要來自電容器的ESR和內部開關管的導通電阻(RDS-ON)，而這兩者都可以做得很低。

③帶電壓調節(jié)的電荷泵：它是在基本電荷泵的輸出之后增加了低壓差的線性調節(jié)器。雖然提供了電壓調節(jié)，但其效率卻由于后端調節(jié)器的功耗而下降。為達到最高的效率，電荷泵的輸出電壓應當與后端調節(jié)器調節(jié)后的電壓盡可能接近。

2. 安裝尺寸

①電感式DC/DC變換器：雖然很多新型電感式DC/DC變換器都可以提供SOT封裝，但它們通常仍然需要物理外形較大的外部電感器。而且電感式DC/DC變換器的電路布局自身也需要較大的板級空間(額外的去耦、特殊的地線處理、屏蔽等)。

②無電壓調節(jié)的電荷泵：電荷泵不用電感器，但需要外部電容器。新型電荷泵器件采用SOP封裝，工作在較高的頻率，因此可以使用占用空間較小的小型電容器(1μF)。電荷泵IC芯片和外部電容器合起來所占用的空間，還不如電感式DC/DC變換器中的電感大。利用電荷泵還很容易獲得正、負組合的輸出電壓。如TCM680器件僅用外部電容即可支持+2 UIN的輸出電壓。而采用電感式DC/DC變換器要獲得同樣的輸出電壓則需要獨立的兩個變換器，如用一個變換器，就得用具有復雜拓撲結構的變壓器。

③帶電壓調節(jié)的電荷泵：增加分立的后端電壓調節(jié)器占用了更多空間，然而許多此類調節(jié)器都有SOT形式的封裝，相對減少了占用的空間。新型帶電壓調節(jié)的電荷泵器件，如TCM850,在單個8引腳50lC封裝中集成了電荷泵、后端電壓調節(jié)器和關閉控制。

3. 靜態(tài)電流

①電感式DC/DC變換器：頻率調制(PFM)電感式DC/DC變換器是靜態(tài)電流最小的開關式DC/DC變換器，通過頻率調制進行電壓調節(jié)可在小負載電流下使供電電流最小。

②無電壓調節(jié)的電荷泵：電荷泵的靜態(tài)電流與工作頻率成比例。多數(shù)新型電荷泵工作在150kHz以上的頻率，從而可使用1μF甚至更小的電容。為克服因此帶來的靜態(tài)電流大的問題，一些電荷泵具有關閉輸入引腳，以在長時間閑置的情況下關閉電荷泵，從而將供電電流降至接近零。

③帶電壓調節(jié)的電荷泵：后端電壓調節(jié)器增加了靜態(tài)電流，因此帶電壓調節(jié)的電荷泵在靜態(tài)電流方面比基本電荷泵要差。

4. 最小工作電壓

①電感式DC/DC變換器：電池供電專用電感式DC/DC變換器(如TC16)可在低至1V甚至更低的電壓下啟動工作，因此非常適合用于單節(jié)電池供電的電子設備。

②無電壓調節(jié)的電荷泵/帶電壓調節(jié)的電荷泵：多數(shù)電荷泵的最小工作電壓為1.5V或更高，因此適合于至少有兩節(jié)電池的應用。

5. 產(chǎn)生的噪聲

①電感式DC/DC變換器：電感式DC/DC變換器是電源噪聲和開關輻射噪聲(EMI)的來源。寬帶PFM電感式DC/DC變換器會在寬頻帶內產(chǎn)生噪聲。可采取提高電感式DC/DC變換器的工作頻率，使其產(chǎn)生的噪聲落在系統(tǒng)的頻帶之外。

②無電壓調節(jié)的電荷泵/帶電壓調節(jié)的電荷泵：電荷泵不使用電感，因此其EMI影響可以忽略。泵輸入噪聲可以通過一個小電容消除。

6. 集成度

①電感式DC/DC變換器：現(xiàn)已開發(fā)出集成了開關調節(jié)器和其他功能(如電壓檢測器和線路調節(jié)器)的芯片。如TC16芯片就在一個SO-8封裝內集成了一個PFM升壓變換器、LD0和電壓檢測器。與分立實現(xiàn)方案相比，此類器件提供了優(yōu)異的電氣性能，并且占用較小的空間。

②無電壓調節(jié)的電荷泵：基本電荷泵，如TC7660,沒有附加功能的集成，占用空間小。

③帶電壓調節(jié)的電荷泵：集成更多功能的帶電壓調節(jié)電荷泵芯片已成為目前的一種發(fā)展趨勢。很明顯，下一代帶調節(jié)電荷泵的功能集成度將可與電感式DC/DC變換器集成芯片相比。

7. 輸出調節(jié)

①電感式DC/DC變換器：電感式DC/DC變換器具有良好的輸出調節(jié)能力。一些電感式DC/DC變換器還具有外部補償引腳，允許根據(jù)應用“精細調整”輸出的瞬態(tài)響應特性。

②無電壓調節(jié)的電荷泵：此類器件輸出沒有電壓調節(jié)，它們只簡單地將輸人電壓變換為負或刀倍的輸出電壓。困此，輸出電壓會隨著負載電流的增加而下降。雖然這對某些應用(如LCD偏置)并不是問題，但不適用需要穩(wěn)定的輸出電壓的應用場合。

③帶電壓調節(jié)的電荷泵：它通過后端線性電壓調節(jié)器(片上或外部)提供電壓調節(jié)(穩(wěn)壓)。在一些情況下，需要為電荷泵增加開關級數(shù)，以為后端調節(jié)器提供足夠的凈空間，這時就需要增加外部電容，從而會給尺寸、成本和效率帶來負面的影響。但后端線性調壓器可使帶調節(jié)電荷泵的輸出電壓的穩(wěn)定性與電感式DC/DC變換器一樣。

8. 安裝成本

①電感式DC/DC變換器：近年來采用電感式DC/DC變換器的成本逐漸下降，并且對外部元件的需求也變得更少了。但電感式DC/DC變換器最少需要一個外部電感、電容和肖特基二極管。二極管、電感，再加上相對價格較高的開關變換芯片，其總成本要比電荷泵高。

②無電壓調節(jié)的電荷泵：無電壓調節(jié)的電荷泵比電感式DC/DC變換器便宜，且僅需要外部電容(沒有電感)，節(jié)約了板空間、電感的成本，以及某些情況下的屏蔽成本。

③帶電壓調節(jié)的電荷泵：帶電壓調節(jié)的電荷泵的成本大約與電感開關式DC/DC變換器本身的成本相當。在一些情況下，可采用外部后端電壓調節(jié)器以降低成本，但卻會增加所需的安裝空間和降低工作效率。

三、選擇最佳DC/DC變換器的途徑

1. 對于工作效率這個方面，最佳DC/DC變換器的選擇是：無電壓調節(jié)式電荷泵(在不需要嚴格的輸出調節(jié)的應用中)，或帶電壓調節(jié)式電荷泵(如果后端調節(jié)器兩端的壓差足夠小)。

2. 對于安裝尺寸這個方面，最佳DC/DC變換器的選擇是：無電壓調節(jié)或帶電壓調節(jié)電荷泵。

3. 對于靜態(tài)電流這個方面，最佳DC/DC變換器的選擇是：電感式DC/DC變換器，特別是頻率調制(PFM)開關式。

4.對于最小工作電壓這個方面，最佳DC/DC變換器的選擇是：電感式DC/DC變換器。

5. 對于產(chǎn)生的噪聲這個方面，最佳DC/DC變換器的選擇是：無電壓調節(jié)或帶電壓調節(jié)的電荷泵。

6.對于集成度這個方面，最佳DC/DC變換器的選擇是：電感式DC/DC變換器。

7.對于輸出調節(jié)這個方面，最佳DC/DC變換器的選擇是：帶電壓調節(jié)的電荷泵。

8.對于安裝成本這個方面，最佳DC/DC變換器的選擇是：在不需要嚴格穩(wěn)壓的場合的最佳選擇為無電壓調節(jié)的電荷泵;若為對輸出電壓穩(wěn)壓有要求的場合，選擇帶電壓調節(jié)的電荷泵和電感式DC/DC變換器的成本大致相當。