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DC-DC电源芯片工作原理

DC/DC电源指能够将直流电压转换为另一直流电压的电源模块。依照该定义,LDO(低压差线性稳压器)也应归属于DC/DC电源类别。然而在实际应用中,一般将采用开关切换方式实现的直流变换电路称为DC/DC电源。

一、工作原理

理解DC/DC电源的工作原理,需掌握一项基本定律与三种开关电源拓扑(其基本原理并不复杂)。

1、电感电压伏秒平衡定律

当功率变换器处于输入、负载及控制信号均固定的状态时,称其工作于稳态。此时,电感上的电压满足伏秒平衡定律:在一个完整周期内,加在电感两端的正向电压与时间的乘积(伏秒积)等于反向电压与时间的乘积。

若觉上述表述抽象,可结合公式进一步理解:

电感的基本方程为:

DC-DC电源芯片工作原理.png

在稳态下,电感电流变化量在一个周期内为零,因此电压波形在周期内的积分为零,即伏秒积平衡。

补充说明:

电压突然施加于电感时,电流逐渐上升,电感量越大电流变化越慢;

电感电流突然中断时,会产生瞬时高压,电感量越大电压越高;

电容的基本方程为:(t) = C \cdot \frac{dV(t)}{dt} ]

流经电容的电流越大,电压变化越快,电容量越大则电压变化越慢。

2、开关电源的三种基本拓扑

BUCK降压电路

电路结构所示(略)。

DC-DC电源芯片工作原理.png

BOOST升压电路

DC-DC电源芯片工作原理.png

BUCK-BOOST升降压电路


 DC-DC电源芯片工作原理.png

扩展说明:

DC/DC电源芯片通过反馈电压与基准电压的比较,调节开关占空比,以稳定输出。

为降低损耗,常用MOS管取代续流二极管,称为同步整流。需注意控制两个MOS管避免同时导通。

二、DC/DC电源调制方式

PWM调制

保持开关频率恒定,通过调节占空比稳定输出电压。

优点:噪声低、带载响应快,适用于连续供电场合;

缺点:轻载效率低,需假负载。

PFM调制

通过调节开关频率实现稳压。输出电压超过阈值时关闭输出,直至电压下降后再重新工作。

优点:轻载效率高,静态功耗小;

缺点:纹波较大,负载响应慢。

三、DC/DC芯片的内部结构

典型内部结构如图6所示(略),主要包括:

误差放大器:放大反馈电压与基准电压之差,控制PWM占空比;

温度保护:超温时切断输出;

限流保护:电流过大时进入打嗝模式,保护电源和负载;

软启动电路:抑制启动冲击电流,使输出平稳上升。

四、硬件设计参数选择

输出电压设置:

R2阻值不宜过小或过大,一般参考数据手册推荐范围,

再根据公式计算R1:

image.png

电感选型:

应确保在最小负载电流时仍能保持电流连续,需综合考量输出电流、纹波、尺寸和饱和特性。

输出电容选型:

主要根据纹波要求选择。需关注ESR(等效串联电阻)的影响,优先选择低ESR电容。


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