点点滴滴学模拟:DC-DC转换器的一些问题一

2012-11-01 10:45:13来源: 互联网

DC指“直流”,即电路中穿过导体由A点至B点的单向电流。DC-DC转换最基本的定义就是通过零输出阻抗和无噪声电路,将DC电压转换为另一种DC电压 (即使是相同电压).

  DC-DC的工作原理与组成

  开关稳压器中内置开/关功率开关 (大部分情况下采用垂直金属氧化物半导体,简称VMOS,也可以是双极型器件)。功率开关的开/关周期确定累积,然后传送给负载的能量。而线性稳压器利用电阻两端的压降调节电压,功效非常低。相对来说,开关稳压器几乎不存在功率耗散! 其秘密就在于功率开关。当开关打开时,开关两端电压高,但电流为零。开关闭合时,穿过开关的电流高,而电压为零!。由于电感器的电压和电流90度反相 (而且没有DC压降),因此开关稳压器的功效非常高。

  DC/DC转换器的基本工作原理是:开关管在控制电路的控制下工作在开关状态。开关管导通时,电压经开关管、储能电感和电容构成回路,充电电流不但在电容两端建立直流电压,而且在储能电感上产生左正、右负的电动势;开关管截止期间,由于储能电感中的电流不能突变,所以,电感通过自感产生右正、左负的脉冲电压。于是,电感右端正的电压→滤波电容一续流二极管→电感左端构成放电回路,放电电流继续在电容两端建立直流电压,电容两端获得的直流电压为负载供电。

  DC-DC转换器一般由哪些部分组成?

  开关型DC-DC转换器一般由控制芯片 开关管(K),电感线圈(L),二极管(D),电容器(C )构成。

  线性型DC-DC转换器,主要部分是线性调节器,由晶体管,齐纳二极管,和偏置电阻等组成

  DC-DC转换器原理及应用

  当您电池的最后一焦耳电能被耗尽时,功耗和效率就将真正呈现出新含义。以一款典型的手机为例,即使没有用手机打电话,LCD屏幕亮起、显示时间及正在使用的网络运营商等任务也会消耗电力。如果它是一款更高级的手机,还可以播放您喜爱的MP3音乐或浏览视频数据。不过,每为手机增加一种功能,实际上也增加了电池的负担。对于大多数手机设计者来说,能否延长可用电力的使用时间是您的手机在下次充电前能够持续多久的关键。这意味着电力需要在各种功能模块间小心谨慎地保护和预算,以最大限度地延长电池寿命和使用。

  要实现真正的效率,并不仅仅意味着DC-DC转换器在负载指定的某个操作点可以获得多高的效率,而是在DC-DC转换器整个载荷范围内这种高效率能够维持多久。一般来说,大部分DC-DC转换器都指定可以达到的最大效率数字,而且人们也通过选择一个非常大的数字(如95%),毫不犹豫地选择一个合适的转换器。然而,要真正地充分利用这个效率,还需要把转换器的曲柄转到可以实现最大功率转换的操作点上。如果未转到这个点,就不能达到95%的效率。而且因为这个问题,根据所应用的载荷,有时甚至达不到60%的效率。

  图1 典型效率曲线

  图1显示在A点可达到95%的效率,在B点却只能达到60%甚至更低的效率。对于便携式消费产品,操作点或负载标尺上的这种差异将非常重要,因为大部分这些电子器件都有多种功能(如播放音乐、拍照或拨打电话),每种功能都要求一个不同的操作点或不同的DC-DC调节器有效负载。对于那些用户未调用的功能,DC-DC源的功率负载会非常轻,95%的效率将会锐减为50%甚至更低,因为是在图1中的B点。

  以智能手机为例,在智能手机中,为AP(应用处理器)IO或核心电压供电的DC-DC转换器将在多长时间内把电池内的电力耗尽,这点非常重要。假设您的手机电池在正常使用时(即主要是拨打语音电话)可持续供电最多2~3天。在这段时间(48~72小时),通常只有一小部分电力用于娱乐活动,如照片的拍摄和浏览或者MP3音乐的播放。它意味着在剩余时间,手机不需要AP完成太多任务;可能只是在AP处于待机或休眠模式中用来刷新DDR存储器。因此,如果AP经常处于这些模式中,它带给转换器的负载将在标尺的轻负载一端,即B点。这表示,AP调节器的功率将永远以50%甚至更低的功效运行,使它成为电池的一个最大消耗源。可见,仅选择一个具有高效率规范的DC-DC调节器是不够的。还需要确保调节器在整个负载范围内都能提供高效率,尤其在轻负载和满负载时。

  图2 提高轻载荷时的效率

  针对这一问题,需要创新的解决方案。以飞思卡尔推出的一种全新的DC-DC降压转换器为例,它可在轻负载时提供高效率。MC34726/7系列是同步降压转换器,可以提供高达300mA或600mA的电流,同时实现90%的高效率。转换器的效率如图2所示,它可以在整个负载范围维持高效率,在接近最高负载时达到顶峰。对于轻负载(B点),效率也能维持在80%以上。该器件利用专用的可调节Z因子模式(Z-Mode)切换架构,实现了PWM和PFM间平稳的转换,而不会牺牲瞬态响应、偏压电流或效率。因此,Z-Mode架构极大地提高了负载电流转换期间的性能,在提供更好的瞬态响应的同时,仍在“休眠”Z-Mode中维持轻负载65μA的低偏压电流。

  图3 典型应用图

  该器件接受2.7~5.5V的输入电压范围,并能够在300mA/600mA的持续负载电流中提供0.8~3.3V的输出电压。此外,其2MHz或4MHz的高交换频率也使得它非常适合空间受限的便携式器件,如手机、PDA、DSC、PND、GPS、PMP和其他便携式仪器。图3显示的是该器件的一个典型应用。

标签:模拟技术(32)DC-DC转换器(29)

DC-DC转换器芯片的技术参数

  输入、输出与效率

  DC-DC转换器的输入电压要求在特定的范围里,输入电压太低,无法提供足够的能量,输入电压太高,芯片无法承受。LDO工作效率随着输入电压增加而减少,而DC-DC芯片效率与输入电压关系不大,这是DC-DC最大的优点之一。

  输出电流能力是内含FET的DC-DC转换器的的最重要的参数,ON的DC-DC器件NCP3102能输出高达10A的电流,可满足您对电源的苛刻要求。

  效率定义为输出功率除以输入功率,而更高的效率意味着高效的电源管理,ON的DC-DC器件NCP1595效率高达95%。

  软启动

  硬启动电路刚开始工作时,由于输出电容上并没有积蓄能量,因此电压很低,电路的反馈回路检测到低电压值时,将会采用最宽的PWM来尽快使输出电压上升,但是此过程由于反馈回路反应很快,因此容易造成电流过冲,损坏电路元件。

  应用软启动技术,优点在于:

  输出电压上升的速度减慢,启动电流得到控制,从而保护了负载;

  大大降低了对前级电源瞬输出态功率的要求;

  ON大部分的器件支持软启动技术。

  上下电顺序控制

  建立和维持合适的电源环境对系统的正常运行至关重要,特别是FPGADSP、ARM等处理器的设计中,为了避免闩锁、浪涌电流或I/O争用等问题,可能需要多达4到5路或更多个电源按照规定的顺序和斜率进行上下电。此外,许多应用还要求上电顺序和缓上电斜率可调节,以适应各种不同的情况。

  NCP3120/3221/3122/3123集成上下电控制功能,而且还支持级联工作。

  电压模式控制和电流模式控制

  控制开关DC-DC变换器的反馈回路和稳压特性有两种方法:电压模式控制和电流模式控制。

  在电压模式控制中,变换器的占空因数正比于实际输出电压与理想输出电压之间的误差差值;在电流模式控制中,占空因数正比于额定输出电压与变换器控制电流函数之间的误差差值(控制电流可以是非隔离拓扑结构中的开关电流或隔离拓扑结构中的变压器初级电流)。

  电压模式控制只响应输出(负载)电压的变化。这意味着变换器为了响应负载电流或输入线电压的变化,它必须“等待”负载电压的相应变化。这种等待延迟会影响变换器的稳压特性。

  假若可以在单个变换周期内响应负载电流的变化,则“等待”问题和与电压模式控制有关的相应负载调整补偿可以消除,而用电流模式控制可以做到这点。电流模式控制在逐个脉冲上控制输出电流,换言之,电流模式控制比电压模式控制有着更优越的输入瞬态响应和输出瞬态响应。

  开关模式与频率

  

  DC-DC转换器工作频率越高意味着外部电路体积更小,能提供更高的功率密度,在一定程序上,输出波纹也会变小。

  PWM (pulse width modulation) 脉冲宽度调制:控制频率恒定而脉冲宽度可变。这种调制方式应用得最广泛。

  PFM (pulse frequency modulation) 脉冲频率调制:基准振荡器的导通时间固定,而频率可变。在负载比较轻的时候这种调制方式用得比较多。

  ON的DC-DC器件NCP1526、NCP1522B、NCP1523B工作频率高达3000KHz。

关键字:模拟  DC-DC  转换器

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/1101/article_17343.html
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