DC/DC转换器 工作原理

电荷泵 是通过外部一个 快速充电 电容(Flying Capacitor),内部以一定的频率进行开关,对电容进行充电,并且和 输入电压 一起,进行升压(或者降压)转换。最后以恒压输出。
在芯片内部有负 反馈电路 ,以保证 输出电压 的稳定,如上图Vout ,经R1,R2分压得到电压V2,与 基准电压 VREF做比较,经过误差放大器A,来控制充电电容的 充电时间 和充电电压,从而达到稳定值。
电荷泵可以依据电池电压输入不断改变其输出电压。例如,它在1.5X或1X的模式下都可以运行。当电池的输入电压较低时,电荷泵可以产生一个相当于输入电压的1.5倍的输出电压。而当电池的电压较高时, 电荷泵 则在1X模式下运行,此时负载电荷泵仅仅是将输入电压传输到负载中。这样就在输入电压较高的时候降低了输入电流和 功率损耗

DC/DC转换器 同步整流技术

同步整流 是采用 通态 电阻极低的专用功率 MOSFET ,来取代 整流二极管 以降低整流损耗的一项新技术。它能大大提高 DC/DC 变换器 的效率。功率MOSFET属于电压控制型器件,它在导通时的 伏安特性 线性关系 。用功率MOSFET做 整流器 时,要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能,故称之为同步整流。
当输出电压降低时,二极管的 正向电压 的影响很重要,它将降低转换器的效率。物理特性的极限使二极管的正向电压降难以降低到0.3V以下。相反,可以通过加大硅片的尺寸或并行连接分离器件来降低MOSFET的 导通电阻 RDS(ON)。因此,在给定的电流下,使用一个 MOSFET 来替代二极管可以获得比二极管小很多的 电压降
在同步降压转换器中,通过用两个低端的MOSFET来替换 肖特基二极管 可以提高效率(图1b)。这两个MOSFET必须以互补的模式驱动,在它们的导通间隙之间有一个很小的 死区时间 dead time ),以避免同时导通。同步FET工作在 第三象限 ,因为电流从源极流到 漏极

DC/DC转换器 电感器的选择

随着开关的打开和闭合,升压电感器会经历电流 纹波 。一般建议 纹波电流 应低于平均电感电流的20%。电感过大将要求使用大得多的电感器,而电感太小将引起更大的开关电流,特别在输出电容器中,而这又要求更大的电容器。
电感值的选择取决于期望的纹波电流。如 等式 1所示,较高的VIN或VOUT也会增加纹波电流。电感器当然必须能够在不造成磁芯饱和(意味着电感损失)情况下处理峰值开关电流。
由公式可以得出:
(1) 开关频率 越高,所需的电感值就可以减小;
(2) 电感值增大,可以降低纹波电流和 磁芯 磁滞损耗 。但电感值的增大,电感尺寸也相应的增大,电流变化速度也减慢。
为了避免电感饱和,电感的额定电流值应该是转换器 最大输出 电流值与电感纹波电流之和。
电感的直流电阻( RDC ),取决于所采用的材料或贴片电感器的构造类型,在室温条件下通过简单的 电阻测量 即可获得。RDC的大小直接影响线圈的温度上升。因此,应当避免长时间超过电流 额定值
线圈的总耗损包括RDC中的耗损和下列与频率相关联的耗损分量:磁芯材料损耗( 磁滞损耗 涡流损耗 ); 趋肤效应 造成的导体中的其他耗损(高频电流位移);相邻绕组的磁场损耗( 邻近效应 );辐射损耗。
将上述所有耗损分量组合在一起构成串联耗损电阻(Rs)。耗损电阻主要用于定义电感器的品质。然而,我们无法用 数学方法 确定Rs,一般采用 阻抗分析仪 在整个 频率范围 内对电感器进行测量。
电感线圈 电抗 (XL)与总电阻(Rs)之比称为品质因素Q,参见公式(2)。品质因素被定义为电感器的品质参数。损耗越高,电感器作为 储能元件 的品质就越低。
品质— 频率图 可以帮助选择针对特定应用的最佳电感器结构。如 测量结果 图2所示,可以将损耗最低( Q值 最高)的工作 范围定义 为一直延伸到品质拐点。如果在更高的频率使用电感器,损耗会剧增(Q降低)。
良好设计的电感器效率降低微乎其微。不同的磁芯材料和形状可以相应改变电感器的大小/电流和价格/电流关系。采用 铁氧体材料 的屏蔽电感器尺寸较小,而且不辐射太多能量。选择何种电感器往往取决于价格与尺寸要求以及相应的辐射场/EMI要求。