DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

1 開關(guān)型穩(wěn)壓器

開關(guān)型穩(wěn)壓器通常利用電感、變壓器或電容器作為儲(chǔ)能元件來將輸入能量傳遞給輸出負(fù)載。其反饋電路用于調(diào)節(jié)能量的傳輸，保證在限定的負(fù)載電流范圍內(nèi)保持恒定的輸出電壓。轉(zhuǎn)換器的基本電路結(jié)構(gòu)包括升壓型、降壓型和反相型等，圖1所示是DC-DC變換器的幾種典型結(jié)構(gòu)，當(dāng)利用變壓器作儲(chǔ)能元件時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)輸出與輸入之間的隔離。

在電源供電系統(tǒng)中選擇開關(guān)型DC-DC轉(zhuǎn)換器可以獲得較高的效率和較低的熱耗，從而可有效延長電源的使用壽命。同時(shí)通過在輸出級(jí)添加適當(dāng)?shù)臑V波電路，還能夠?qū)⑤敵鲭妷杭y波降低至較小的范圍。

2 開關(guān)型穩(wěn)壓器控制技術(shù)

開關(guān)型穩(wěn)壓器的控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，常見的DC-DC轉(zhuǎn)換控制技術(shù)有脈沖頻率調(diào)制（PFM）、限流型PFM、脈沖寬度調(diào)制（PWM）等。PFM調(diào)制電路的開關(guān)信號(hào)占空比通常保持為50%，通過控制開關(guān)頻率可提供穩(wěn)定的輸出電壓。該電路結(jié)構(gòu)比較簡單，但電感的選擇比較困難，因此輸出電壓有較大的紋波，而且，輸出噪聲/紋波的頻譜在不同負(fù)載時(shí)有較大的變化范圍。限流型PFM結(jié)構(gòu)與PFM類似，但在電路中引入了電感峰值電流限制電路和一個(gè)單穩(wěn)態(tài)電路，這樣，一旦輸出電壓跌落到所允許的門限值時(shí)，控制電感充電的開關(guān)將導(dǎo)通以為電感提供充電，直到電感電流達(dá)到所設(shè)置的電流門限為止。通常需要在電感的電流通路內(nèi)連接一個(gè)電流檢測電阻。當(dāng)電感電流達(dá)到預(yù)置值門限后，開關(guān)斷開并保持一段固定的時(shí)間（一般為μs級(jí)），以便其內(nèi)部單穩(wěn)態(tài)電路進(jìn)行控制。在單穩(wěn)態(tài)保持時(shí)間結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)便將VOUT與一個(gè)固定的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，從而確定是否接通開關(guān)。由于電感的峰值電流是固定的，因而電感的選擇比較容量，只要保證電感的磁芯滿足峰值電流的要求即可。另外，固定的峰值電流，也使得輸出電壓的紋波比標(biāo)準(zhǔn)PFM結(jié)構(gòu)低得多。當(dāng)然，輸出噪聲的頻譜仍然隨負(fù)載而改變。

PWM控制技術(shù)能保持固定的開關(guān)頻率，并可通過改變電感的充電、放電時(shí)間來保持穩(wěn)定的負(fù)載電壓。這種控制技術(shù)能夠在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)保持較高的轉(zhuǎn)換效率。此外，由于開關(guān)頻率是固定的，因而使得噪聲頻譜的帶寬很窄。這樣，只需簡單的低通濾波器應(yīng)能大大降低輸出電壓的紋波，因此，這種控制結(jié)構(gòu)可被廣泛應(yīng)用于電信設(shè)備等對(duì)噪聲干擾較為敏感的應(yīng)用系統(tǒng)。

3 控制電路

圖3為典型的PWM控制電路，圖中的VOUT經(jīng)過分壓后送入比較器的反相輸入端，比較器的同相輸入為基準(zhǔn)電壓VREF。當(dāng)分壓后的VOUT低于VREF時(shí)，比較器輸出信號(hào)以控制多諧振蕩器工作，方波信號(hào)切換到開關(guān)控制端，控制開關(guān)迅速導(dǎo)通或斷開而使能量反復(fù)地存儲(chǔ)到電感中、進(jìn)而傳遞給輸出電容。圖4為限流型PFM控制結(jié)構(gòu)，該電路要比較3復(fù)雜一些，圖4有兩個(gè)比較器：一個(gè)用于監(jiān)測輸出反饋電壓，另一個(gè)用于監(jiān)測電感的峰值電流。當(dāng)輸出電壓超出穩(wěn)壓范圍時(shí)，SR觸發(fā)器控制N溝道MOSFET導(dǎo)通，直到電感電流達(dá)到所要求的上限值。MOSFET斷開后，單穩(wěn)態(tài)定時(shí)器被觸發(fā)，開關(guān)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)保持開路狀態(tài)。

PWM控制器有兩種不同的結(jié)構(gòu)。其中電壓模式PWM控制器如圖5（a）所示，電流模式PWM控制器如圖5(b)所示。電壓模式PWM控制器將反饋電壓與基準(zhǔn)電壓之間的誤差加以放大，然后將放大后的誤差信號(hào)作為比較器的門限與控制器內(nèi)部的斜波電壓發(fā)生器的電壓輸出進(jìn)行比較，最后用比較器輸出來驅(qū)動(dòng)主開關(guān)。電壓模式PWM控制器的誤差電壓越大、比較器門限值就越高，開關(guān)保持導(dǎo)通的時(shí)間也越大，電感的峰值電流也就越大，從而保證電感可存儲(chǔ)足夠的能量以維持負(fù)載電壓的穩(wěn)定。電流模式PWM控制器中加入了電流檢測功能，電感電流與誤差電壓產(chǎn)生的門限值相比較，開關(guān)在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿導(dǎo)通，當(dāng)電感電流達(dá)到峰值門限時(shí)開關(guān)斷開。這種控制結(jié)構(gòu)比電壓模式PWM控制器更能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

開關(guān)穩(wěn)壓器中功率消耗最大的元件是二極管，其功率消耗為二極管導(dǎo)通壓降與電流的乘積。由于該功耗將會(huì)降低系統(tǒng)的總體效率。因此，為減小這一損耗，絕大多數(shù)DC-DC轉(zhuǎn)換器中選用肖特基二極管。因?yàn)樗哂袠O小的導(dǎo)通壓降，而且開關(guān)速率很高。因此可最大限度地提高效率。也可用一個(gè)開關(guān)替代二極管（即所謂的“同步整流結(jié)構(gòu)”），以使其在主開關(guān)閉合時(shí)同步整流開關(guān)斷開，主開關(guān)斷開時(shí)同步整流開關(guān)閉合。但是，為了避免兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通造成系統(tǒng)損壞，該開關(guān)需要置成“導(dǎo)通前先斷開”的結(jié)構(gòu)。因此，在斷開主開關(guān)與閉合同步整流開關(guān)之間，二極管將流過一個(gè)起始電流。

PWM控制器的另外一種結(jié)構(gòu)是如圖6所示的Idle-ModeTM PWM控制器，這種控制器在輕載時(shí)的工作過程如同PFM，重載時(shí)則與PWM控制器相同，由于它結(jié)合了輕載下PFM控制器的高效率和重載下PWM控制器的高效低噪等優(yōu)點(diǎn)，因而能夠在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)獲得最高的轉(zhuǎn)換效率。