DC指“直流”，即電路中穿過導(dǎo)體由A點(diǎn)至B點(diǎn)的單向電流。DC-DC轉(zhuǎn)換最基本的定義就是通過零輸出阻抗和無(wú)噪聲電路，將DC電壓轉(zhuǎn)換為另一種DC電壓 (即使是相同電壓).

　　DC-DC的工作原理與組成

　　開關(guān)穩(wěn)壓器中內(nèi)置開/關(guān)功率開關(guān) (大部分情況下采用垂直金屬氧化物半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱VMOS，也可以是雙極型器件)。功率開關(guān)的開/關(guān)周期確定累積，然后傳送給負(fù)載的能量。而線性穩(wěn)壓器利用電阻兩端的壓降調(diào)節(jié)電壓，功效非常低。相對(duì)來(lái)說(shuō)，開關(guān)穩(wěn)壓器幾乎不存在功率耗散! 其秘密就在于功率開關(guān)。當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，開關(guān)兩端電壓高，但電流為零。開關(guān)閉合時(shí)，穿過開關(guān)的電流高，而電壓為零!。由于電感器的電壓和電流90度反相 (而且沒有DC壓降)，因此開關(guān)穩(wěn)壓器的功效非常高。

　　DC/DC轉(zhuǎn)換器的基本工作原理是：開關(guān)管在控制電路的控制下工作在開關(guān)狀態(tài)。開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電壓經(jīng)開關(guān)管、儲(chǔ)能電感和電容構(gòu)成回路，充電電流不但在電容兩端建立直流電壓，而且在儲(chǔ)能電感上產(chǎn)生左正、右負(fù)的電動(dòng)勢(shì);開關(guān)管截止期間，由于儲(chǔ)能電感中的電流不能突變，所以，電感通過自感產(chǎn)生右正、左負(fù)的脈沖電壓。于是，電感右端正的電壓→濾波電容一續(xù)流二極管→電感左端構(gòu)成放電回路，放電電流繼續(xù)在電容兩端建立直流電壓，電容兩端獲得的直流電壓為負(fù)載供電。

　　DC-DC轉(zhuǎn)換器一般由哪些部分組成?

　　開關(guān)型DC-DC轉(zhuǎn)換器一般由控制芯片 開關(guān)管(K)，電感線圈(L)，二極管(D)，電容器(C )構(gòu)成。

　　線性型DC-DC轉(zhuǎn)換器,主要部分是線性調(diào)節(jié)器,由晶體管,齊納二極管,和偏置電阻等組成

　　DC-DC轉(zhuǎn)換器原理及應(yīng)用

　　當(dāng)您電池的最后一焦耳電能被耗盡時(shí)，功耗和效率就將真正呈現(xiàn)出新含義。以一款典型的手機(jī)為例，即使沒有用手機(jī)打電話，LCD屏幕亮起、顯示時(shí)間及正在使用的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商等任務(wù)也會(huì)消耗電力。如果它是一款更高級(jí)的手機(jī)，還可以播放您喜愛的MP3音樂或?yàn)g覽視頻數(shù)據(jù)。不過，每為手機(jī)增加一種功能，實(shí)際上也增加了電池的負(fù)擔(dān)。對(duì)于大多數(shù)手機(jī)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，能否延長(zhǎng)可用電力的使用時(shí)間是您的手機(jī)在下次充電前能夠持續(xù)多久的關(guān)鍵。這意味著電力需要在各種功能模塊間小心謹(jǐn)慎地保護(hù)和預(yù)算，以最大限度地延長(zhǎng)電池壽命和使用。

　　要實(shí)現(xiàn)真正的效率，并不僅僅意味著DC-DC轉(zhuǎn)換器在負(fù)載指定的某個(gè)操作點(diǎn)可以獲得多高的效率，而是在DC-DC轉(zhuǎn)換器整個(gè)載荷范圍內(nèi)這種高效率能夠維持多久。一般來(lái)說(shuō)，大部分DC-DC轉(zhuǎn)換器都指定可以達(dá)到的最大效率數(shù)字，而且人們也通過選擇一個(gè)非常大的數(shù)字(如95%)，毫不猶豫地選擇一個(gè)合適的轉(zhuǎn)換器。然而，要真正地充分利用這個(gè)效率，還需要把轉(zhuǎn)換器的曲柄轉(zhuǎn)到可以實(shí)現(xiàn)最大功率轉(zhuǎn)換的操作點(diǎn)上。如果未轉(zhuǎn)到這個(gè)點(diǎn)，就不能達(dá)到95%的效率。而且因?yàn)檫@個(gè)問題，根據(jù)所應(yīng)用的載荷，有時(shí)甚至達(dá)不到60%的效率。

　　圖1 典型效率曲線

　　圖1顯示在A點(diǎn)可達(dá)到95%的效率，在B點(diǎn)卻只能達(dá)到60%甚至更低的效率。對(duì)于便攜式消費(fèi)產(chǎn)品，操作點(diǎn)或負(fù)載標(biāo)尺上的這種差異將非常重要，因?yàn)榇蟛糠诌@些電子器件都有多種功能(如播放音樂、拍照或撥打電話)，每種功能都要求一個(gè)不同的操作點(diǎn)或不同的DC-DC調(diào)節(jié)器有效負(fù)載。對(duì)于那些用戶未調(diào)用的功能，DC-DC源的功率負(fù)載會(huì)非常輕，95%的效率將會(huì)銳減為50%甚至更低，因?yàn)槭窃趫D1中的B點(diǎn)。

　　以智能手機(jī)為例，在智能手機(jī)中，為AP(應(yīng)用處理器)IO或核心電壓供電的DC-DC轉(zhuǎn)換器將在多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)把電池內(nèi)的電力耗盡，這點(diǎn)非常重要。假設(shè)您的手機(jī)電池在正常使用時(shí)(即主要是撥打語(yǔ)音電話)可持續(xù)供電最多2～3天。在這段時(shí)間(48～72小時(shí))，通常只有一小部分電力用于娛樂活動(dòng)，如照片的拍攝和瀏覽或者M(jìn)P3音樂的播放。它意味著在剩余時(shí)間，手機(jī)不需要AP完成太多任務(wù);可能只是在AP處于待機(jī)或休眠模式中用來(lái)刷新DDR存儲(chǔ)器。因此，如果AP經(jīng)常處于這些模式中，它帶給轉(zhuǎn)換器的負(fù)載將在標(biāo)尺的輕負(fù)載一端，即B點(diǎn)。這表示，AP調(diào)節(jié)器的功率將永遠(yuǎn)以50%甚至更低的功效運(yùn)行，使它成為電池的一個(gè)最大消耗源。可見，僅選擇一個(gè)具有高效率規(guī)范的DC-DC調(diào)節(jié)器是不夠的。還需要確保調(diào)節(jié)器在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)都能提供高效率，尤其在輕負(fù)載和滿負(fù)載時(shí)。

　　圖2 提高輕載荷時(shí)的效率

　　針對(duì)這一問題，需要?jiǎng)?chuàng)新的解決方案。以飛思卡爾推出的一種全新的DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器為例，它可在輕負(fù)載時(shí)提供高效率。MC34726/7系列是同步降壓轉(zhuǎn)換器，可以提供高達(dá)300mA或600mA的電流，同時(shí)實(shí)現(xiàn)90%的高效率。轉(zhuǎn)換器的效率如圖2所示，它可以在整個(gè)負(fù)載范圍維持高效率，在接近最高負(fù)載時(shí)達(dá)到頂峰。對(duì)于輕負(fù)載(B點(diǎn))，效率也能維持在80%以上。該器件利用專用的可調(diào)節(jié)Z因子模式(Z-Mode)切換架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了PWM和PFM間平穩(wěn)的轉(zhuǎn)換，而不會(huì)犧牲瞬態(tài)響應(yīng)、偏壓電流或效率。因此，Z-Mode架構(gòu)極大地提高了負(fù)載電流轉(zhuǎn)換期間的性能，在提供更好的瞬態(tài)響應(yīng)的同時(shí)，仍在“休眠”Z-Mode中維持輕負(fù)載65μA的低偏壓電流。

　　圖3 典型應(yīng)用圖

　　該器件接受2.7～5.5V的輸入電壓范圍，并能夠在300mA/600mA的持續(xù)負(fù)載電流中提供0.8～3.3V的輸出電壓。此外，其2MHz或4MHz的高交換頻率也使得它非常適合空間受限的便攜式器件，如手機(jī)、PDA、DSC、PND、GPS、PMP和其他便攜式儀器。圖3顯示的是該器件的一個(gè)典型應(yīng)用。

DC-DC轉(zhuǎn)換器芯片的技術(shù)參數(shù)

　　輸入、輸出與效率

　　DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓要求在特定的范圍里，輸入電壓太低，無(wú)法提供足夠的能量，輸入電壓太高，芯片無(wú)法承受。LDO工作效率隨著輸入電壓增加而減少，而DC-DC芯片效率與輸入電壓關(guān)系不大，這是DC-DC最大的優(yōu)點(diǎn)之一。

　　輸出電流能力是內(nèi)含F(xiàn)ET的DC-DC轉(zhuǎn)換器的的最重要的參數(shù)，ON的DC-DC器件NCP3102能輸出高達(dá)10A的電流，可滿足您對(duì)電源的苛刻要求。

　　效率定義為輸出功率除以輸入功率，而更高的效率意味著高效的電源管理，ON的DC-DC器件NCP1595效率高達(dá)95%。

　　軟啟動(dòng)

　　硬啟動(dòng)電路剛開始工作時(shí)，由于輸出電容上并沒有積蓄能量，因此電壓很低，電路的反饋回路檢測(cè)到低電壓值時(shí)，將會(huì)采用最寬的PWM來(lái)盡快使輸出電壓上升，但是此過程由于反饋回路反應(yīng)很快，因此容易造成電流過沖，損壞電路元件。

　　應(yīng)用軟啟動(dòng)技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)在于：

　　輸出電壓上升的速度減慢，啟動(dòng)電流得到控制，從而保護(hù)了負(fù)載;

　　大大降低了對(duì)前級(jí)電源瞬輸出態(tài)功率的要求;

　　ON大部分的器件支持軟啟動(dòng)技術(shù)。

　　上下電順序控制

　　建立和維持合適的電源環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要，特別是FPGA、DSP、ARM等處理器的設(shè)計(jì)中，為了避免閂鎖、浪涌電流或I/O爭(zhēng)用等問題，可能需要多達(dá)4到5路或更多個(gè)電源按照規(guī)定的順序和斜率進(jìn)行上下電。此外，許多應(yīng)用還要求上電順序和緩上電斜率可調(diào)節(jié)，以適應(yīng)各種不同的情況。

　　NCP3120/3221/3122/3123集成上下電控制功能，而且還支持級(jí)聯(lián)工作。

　　電壓模式控制和電流模式控制

　　控制開關(guān)DC-DC變換器的反饋回路和穩(wěn)壓特性有兩種方法：電壓模式控制和電流模式控制。

　　在電壓模式控制中，變換器的占空因數(shù)正比于實(shí)際輸出電壓與理想輸出電壓之間的誤差差值;在電流模式控制中，占空因數(shù)正比于額定輸出電壓與變換器控制電流函數(shù)之間的誤差差值(控制電流可以是非隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的開關(guān)電流或隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的變壓器初級(jí)電流)。

　　電壓模式控制只響應(yīng)輸出(負(fù)載)電壓的變化。這意味著變換器為了響應(yīng)負(fù)載電流或輸入線電壓的變化，它必須“等待”負(fù)載電壓的相應(yīng)變化。這種等待延遲會(huì)影響變換器的穩(wěn)壓特性。

　　假若可以在單個(gè)變換周期內(nèi)響應(yīng)負(fù)載電流的變化，則“等待”問題和與電壓模式控制有關(guān)的相應(yīng)負(fù)載調(diào)整補(bǔ)償可以消除，而用電流模式控制可以做到這點(diǎn)。電流模式控制在逐個(gè)脈沖上控制輸出電流，換言之，電流模式控制比電壓模式控制有著更優(yōu)越的輸入瞬態(tài)響應(yīng)和輸出瞬態(tài)響應(yīng)。

　　開關(guān)模式與頻率

　　DC-DC轉(zhuǎn)換器工作頻率越高意味著外部電路體積更小，能提供更高的功率密度，在一定程序上，輸出波紋也會(huì)變小。

　　PWM (pulse width modulation) 脈沖寬度調(diào)制：控制頻率恒定而脈沖寬度可變。這種調(diào)制方式應(yīng)用得最廣泛。

　　PFM (pulse frequency modulation) 脈沖頻率調(diào)制：基準(zhǔn)振蕩器的導(dǎo)通時(shí)間固定，而頻率可變。在負(fù)載比較輕的時(shí)候這種調(diào)制方式用得比較多。

　　ON的DC-DC器件NCP1526、NCP1522B、NCP1523B工作頻率高達(dá)3000KHz。

封裝

　　根據(jù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，無(wú)鉛封裝的電子元件已經(jīng)廣泛使用，ON的DC-DC器件都可提供無(wú)鉛綠色封裝(Pb-Free)。

　　工作溫度范圍

　　ON的DC-DC器件提供商用級(jí)、工業(yè)級(jí)及汽車級(jí)的芯片。針對(duì)您的工作場(chǎng)合，選擇合適的器件。

　　過熱關(guān)斷

　　DC-DC芯片里集成了MOSFET，大電流流經(jīng)芯片就會(huì)發(fā)熱，雖然芯片效率較高，芯片的發(fā)熱可以得到有效控制。但是，為了保護(hù)自身，所有轉(zhuǎn)換器芯片都集成了過熱保護(hù)功能。器件如果在使用過程中自身溫度過高，轉(zhuǎn)換器會(huì)自動(dòng)停止工作并等待溫度降低到額定工作溫度范圍。

　　ON的DC-DC器件已經(jīng)集成了過熱關(guān)斷功能。

　　集成度

　　隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，表面貼裝的電感器、電容器以及高集成度的電源控制芯片的成本不斷降低，DC-DC轉(zhuǎn)換器體積越來(lái)越小。當(dāng)出現(xiàn)了導(dǎo)通電阻很小的MOSFET后，不需要外部的大功率FET就可以輸出很大功率，譬如ON的NCP3101(6A)， NCP3102(10A)!

　　隨著集成度的提高，許多新型DC-DC轉(zhuǎn)換器僅需要外接幾只電感器和濾波電容等就可以工作，簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)和提高了產(chǎn)品的可靠性，如NCP1595等。

　　如何提高DC-DC轉(zhuǎn)換器的抗干擾性?

　　DC-DC轉(zhuǎn)換會(huì)形成大量潛在噪聲源。線性和開關(guān)調(diào)節(jié)器本身會(huì)發(fā)射電噪聲 (如熱噪聲、1/f噪聲和散粒噪聲)。熱噪聲是導(dǎo)體中的載流子隨機(jī)熱激勵(lì)振動(dòng)造成的。閃變?cè)肼?(1/f) 是一種低頻噪聲。半導(dǎo)體器件中的1/f 噪聲主要與材料表面特性有關(guān)。散粒噪聲是電流不是平穩(wěn)、連續(xù)地通過器件時(shí)產(chǎn)生的一種現(xiàn)象，實(shí)際是一些脈沖電流的總和 (載流子流動(dòng)產(chǎn)生的，每一路載有一個(gè)電子電荷)。當(dāng)然，除這些電噪聲源外，開關(guān)頻率處 (開關(guān)調(diào)節(jié)器中) 存在的輸出電壓尖峰脈沖，以及每類調(diào)節(jié)器 (線性和開關(guān)式) 頻率范圍內(nèi)的輸出負(fù)載，由于兩類DC-DC轉(zhuǎn)換器負(fù)載和線性調(diào)節(jié)特性的限制也會(huì)形成噪聲。探測(cè)和檢查噪聲的發(fā)生及其頻率，以便了解其對(duì)DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出端供電器件的影響是最基本的要求

　　a必須認(rèn)真確定電路功率要求和穩(wěn)壓器輸出特性。

　　b通過增加必要的電源去耦電容，進(jìn)一步濾除線性調(diào)節(jié)器輸入和輸出中不希望出現(xiàn)的紋波來(lái)加以改善, 去耦可以非常有效地濾除 (頻帶限制) 線性調(diào)節(jié)器的噪聲功率

　　c必須認(rèn)真考慮這種熱量轉(zhuǎn)換因素,減少熱噪聲

　　d電源設(shè)計(jì)最好考慮并聯(lián)，而不是串聯(lián)組件。防止噪聲疊加

　　e實(shí)現(xiàn)電源“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)布線”，即每個(gè)電源組件背面布線連接DC-DC轉(zhuǎn)換器Vout，電源層布線接地。電源“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”布線實(shí)際迫使感應(yīng)跡線與電源組件串聯(lián)。這樣，電感器有助于并可以實(shí)際起到濾除DC-DC轉(zhuǎn)換器噪聲，以及組件饋入DC-DC轉(zhuǎn)換器Vout噪聲的作用。以這種方法連接，電源電路組件彼此之間以及與DC-DC轉(zhuǎn)換器可以隔離! 當(dāng)然，電源電路接地絕不能采用這種連接方法。DC-DC轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)腳是GND端口 (Vin至Vout的公用基準(zhǔn))。如果您想將電路作為DC-DC轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)，從而使其成為Vout和Vin的基準(zhǔn)，地線不得含有感應(yīng)，構(gòu)成理想的接地層。這樣可以保證基準(zhǔn)電路! 當(dāng)去耦電容放在組件電源引腳時(shí)，電容的分流作用可在需要交流電源時(shí)為組件電源引腳供電，同時(shí)將組件產(chǎn)生的噪聲接地。正確設(shè)計(jì)電源層往往是PCB設(shè)計(jì)最主要的部分。

　　f請(qǐng)記住，地線是基準(zhǔn) (在盡可能大和寬的范圍內(nèi)記住這一點(diǎn))，其他所有線路都可以視為信號(hào)線，然后根據(jù)所需最大性能設(shè)計(jì)跡線!

　　g 如果涉及電源外部干擾應(yīng)該可以考慮加金屬屏蔽殼。

DC-DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)的時(shí)候，PCB布線需要注意哪些方面?

　　a最理想的PCB布局需要將固態(tài)電源和接地層連接電源電路的組件。但實(shí)際環(huán)境下很快會(huì)出現(xiàn)操作上的限制。出于成本考慮，PCB設(shè)計(jì)需要采用簡(jiǎn)單的單面或雙面布局。因此，設(shè)計(jì)師往往首先重點(diǎn)考慮所有信號(hào)跡線的連接，然后，無(wú)論所�？臻g多大，再考慮電源和地線布局。這種情況會(huì)使設(shè)計(jì)脫節(jié)，而且一般會(huì)增加多余的寄生阻抗，實(shí)際上這是造成大部分電路性能下降問題的主要原因。

　　b設(shè)計(jì)師只要記住電路中所有端口即是輸入也是輸出，設(shè)計(jì)便開始變得簡(jiǎn)單了。請(qǐng)記住，地線是基準(zhǔn) (在盡可能大和寬的范圍內(nèi)記住這一點(diǎn))，其他所有線路都可以視為信號(hào)線，然后根據(jù)所需最大性能設(shè)計(jì)跡線!

　　c在布線時(shí)線寬和線距也要注意,減少寄生干擾產(chǎn)生.

　　DC-DC設(shè)計(jì)中，電感的電感量范圍應(yīng)該選擇多少比較合適，這樣選擇的優(yōu)勢(shì)是什么?

　　開關(guān)電源中的電感確定：開關(guān)頻率低，由于開和關(guān)的時(shí)間都比較長(zhǎng)，因此為了輸出不間斷的需要，需要把電感值加大點(diǎn)，這樣可以讓電感可以存儲(chǔ)更多的磁場(chǎng)能量。同時(shí)，由于每次開關(guān)比較長(zhǎng)，能量的補(bǔ)充更新沒有如頻率高時(shí)的那樣及時(shí)，從而電流也就會(huì)相對(duì)的小點(diǎn)。

　　這個(gè)原理也可以用公式來(lái)說(shuō)明：L=(dt/di)*uL

　　D=Vo/Vi，降壓型占空比 D= 1- Vi/Vo，升壓型占空比

　　dt=D/F ，F(xiàn)=開關(guān)頻率

　　di=電流紋波

　　所以得 L=D*uL /(F*di)，當(dāng)F 開關(guān)頻率低時(shí)，就需要L 大一點(diǎn);同意當(dāng)L 設(shè)大時(shí)，其他不變情況下，則紋波電流di 就會(huì)相對(duì)減小在高的開關(guān)頻率下，加大電感會(huì)使電感的阻抗變大，增加功率損耗，使效率降低。同時(shí)，在頻率不變條件下，一般而言，電感值變大，輸出紋波會(huì)變小，但電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)(負(fù)載功耗偶爾大偶爾小，在大小變化之間相應(yīng)慢)也會(huì)相應(yīng)變差，所以電感值的選取可以根據(jù)電路的具體應(yīng)用要求來(lái)調(diào)整以達(dá)到最理想效果