【導讀】DC/DC變換器是利用MOSFET開關閉合時在電感器中儲能,并產生電流。本文給出的三種典型的DC/DC變換器工作原理都是先儲存能量,然后以受控方式釋放能量,從而得到所需要的輸出電壓。因此,我們通過DC/DC變換器一系列的性能參數來對比衡量,看看該如何選擇最佳的開關式DC/DC變換器。
DC/DC變換器是利用MOSFET開關閉合時在電感器中儲能,并產生電流。當開關斷開時,貯存的電感器能量通過二極管輸出給負載。如下圖所示:
圖:三種典型的DC/DC變換器框圖
圖中所示三種變換器的工作原理都是先儲存能量,然后以受控方式釋放能量,從而得到所需要的輸出電壓。對某一工作來講,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。
DC/DC變換器選擇參數一: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。
最佳選擇是: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?。?。
DC/DC變換器選擇參數二: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。
最佳選擇是:無電壓調節(jié)或帶電壓調節(jié)電荷泵。
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DC/DC變換器選擇參數三: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。
最佳選擇是:電感式DC/DC變換器,特別是頻率調制(PFM)開關式。
DC/DC變換器選擇參數四: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。
最佳選擇是:電感式DC/DC變換器。
DC/DC變換器選擇參數五:產生的噪聲
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生噪聲??刹扇√岣唠姼惺紻C/DC變換器的工作頻率,使其產生的噪聲落在系統(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。
最佳選擇是:無電壓調節(jié)或帶電壓調節(jié)的電荷泵。
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DC/DC變換器選擇參數六:集成度
①電感式DC/DC變換器:現已開發(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。
最佳選擇是:電感式DC/DC變換器。
DC/DC變換器選擇參數七: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,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。
最佳選擇是:帶電壓調節(jié)的電荷泵。
DC/DC變換器選擇參數八: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。
最佳選擇是: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。
在實際的設計應用中,如果能夠按照以上的選擇竅門進行選擇,將會更有利于節(jié)省時間成本,提高效率。
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