本資料為DC/DC轉(zhuǎn)換器電路的設(shè)計(jì)提供一些提示，盡量用具體事例說(shuō)明在各種制約條件下，怎樣才能設(shè)計(jì)出最接近要求規(guī)格的DC/DC轉(zhuǎn)換器電路。

DC/DC轉(zhuǎn)換器電路的各種特性（效率、紋波、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)等）可根據(jù)外設(shè)元件的變更而變更，一般最佳外設(shè)元件因使用條件（輸入輸出規(guī)格）不同而不同，例如，當(dāng)您問(wèn)“怎樣才能提高效率？”，回答“視使用條件而不同”或者“那要看具體情況啦”，感覺(jué)好像被巧妙地塘塞過(guò)去了，估計(jì)您也遇到過(guò)這樣的情況吧。那么，為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的回答呢？其理由就是因?yàn)?a href="http://www.socialnewsupdate.com/soft/data/4-5/" target="_blank">電源電路大多使用市售的商品作為電路的一部分，所以必須既要考慮大小、成本等的制約又要考慮電氣要求規(guī)格來(lái)設(shè)計(jì)。

通常產(chǎn)品目錄中的標(biāo)準(zhǔn)電路選定的元件大多是在標(biāo)準(zhǔn)使用條件下能發(fā)揮一般特性的元件，因而，并不一定能說(shuō)在各種使用條件下都是最佳的元件選定。所以在各個(gè)設(shè)計(jì)中，必須根據(jù)各自的要求規(guī)格（效率、成本、貼裝空間等）從標(biāo)準(zhǔn)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)變更。但要能設(shè)計(jì)出符合要求規(guī)格的電路，需要足夠的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。

本資料就用具體的數(shù)值為不具備這些知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的人說(shuō)明哪些元件如何改變就能達(dá)到要求的動(dòng)作，這樣不需要進(jìn)行復(fù)雜的電路計(jì)算就能快捷地使DC/DC轉(zhuǎn)換器電路正常工作。至于正常工作后對(duì)設(shè)計(jì)的檢驗(yàn)，可以自己以后細(xì)細(xì)地計(jì)算，也可以一開(kāi)始就請(qǐng)具有豐富知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的人進(jìn)行檢驗(yàn)。

DC/DC轉(zhuǎn)換器的種類和特點(diǎn)

DC/DC轉(zhuǎn)換器電路根據(jù)其電路方式主要有以下一些：

非絕緣型

基本（單線圈）型

電容耦合型雙線圈SEPIC， Zeta，…

電荷泵（開(kāi)關(guān)電容/無(wú)線圈）型

絕緣型

變壓器耦合型 正向

變壓器耦合型 回掃

基本型系指通過(guò)將電路工作限定為只升壓或者只降壓來(lái)最低限度地減少元件數(shù)目，輸入側(cè)和輸出側(cè)沒(méi)有電氣絕緣的類型。

圖1所示為升壓電路

圖2所示為降壓電路

這些電路具有小型、便宜、紋波小等優(yōu)點(diǎn)，隨著設(shè)備的小型化對(duì)它們的需要在增加。

SEPIC、Zeta分別是在基本型的升壓電路、降壓電路的VIN-VOUT間插入電容器，并增加了一個(gè)線圈。而且，都可通過(guò)使用升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器控制IC、降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器控制IC構(gòu)成升降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器。但有些DC/DC轉(zhuǎn)換器控制IC沒(méi)有設(shè)計(jì)成用于這些電路方式，故在選用時(shí)需要注意。這些電容耦合雙線圈型具有VIN-VOUT間能夠絕緣的優(yōu)點(diǎn)，但因增加線圈和電容器，效率會(huì)變低，尤其是降壓時(shí)效率也大幅降低，是通常的70%～80%左右。

電荷泵型因?yàn)椴恍枰€圈，所以其優(yōu)點(diǎn)在于貼裝面積、貼裝高度都小，然而因其對(duì)多種輸出電壓和大電流不易制作效率好的電路，所以也有用途被限制在白LED驅(qū)動(dòng)用和LCD用電源等的一面。

絕緣型的也被稱為一次電源（主電源），主要被廣泛用于從商用電源（AC100V～240V）變壓為DC電源的AC/DC轉(zhuǎn)換器、因去除噪聲等理由輸入側(cè)和輸出側(cè)需要絕緣等時(shí)。因?yàn)樗鼈兪褂米儔浩鲗⑤斎雮?cè)和輸出側(cè)分離，故可以通過(guò)改變變壓器的匝數(shù)比和二極管極性來(lái)構(gòu)成升壓/降壓/反轉(zhuǎn)等控制，從而，能從一個(gè)電源電路獲得多個(gè)電源。尤其是使用回掃變壓器的因能由較少的元件構(gòu)成，有時(shí)也被用作二次電源（局部電源）電路。但是，由于回掃變壓器需要用于防止內(nèi)核磁飽和的空隙，所以外形尺寸較大。而正向變壓器雖然易于獲得大功率電源，但在一次側(cè)需要用于防止內(nèi)核磁化的復(fù)原電路，因而元件數(shù)目增加。變換器控制IC也需要輸入側(cè)和輸出側(cè)的GND分離的。

DC/DC轉(zhuǎn)換器的基本工作原理

我們拿最基本的基本型來(lái)說(shuō)明一下DC/DC轉(zhuǎn)換器電路的升壓和降壓的工作原理。其它使用線圈的電路方式在升壓電路和降壓電路的組合或應(yīng)用電路都可見(jiàn)到。

圖3、圖4說(shuō)明了升壓電路的工作。圖3所示是FET為ON時(shí)的電流路徑，虛線雖是微小的漏電流，但會(huì)使輕負(fù)載的效率變差。在FET為ON的時(shí)間里在L積蓄電流能。圖4是FET為OFF時(shí)的電流路徑，F(xiàn)ET即便OFF，L也在工作要保持OFF前的電流值，線圈的左端被強(qiáng)制性固定于VIN，進(jìn)行升壓工作提供足以給VOUT接上電壓的電源功率。

由此，F(xiàn)ET的ON時(shí)間長(zhǎng)L里積蓄的電流能越大，越能獲得電源功率。但是，F(xiàn)ET的ON時(shí)間太長(zhǎng)的話，給輸出側(cè)供電的時(shí)間就極為短暫，F(xiàn)ET為ON時(shí)的損失也就增大，變換效率變差。因而通常限制占空比的最大值以便不超過(guò)適宜的ON/OFF時(shí)間比（占空比）。

升壓工作就是反復(fù)進(jìn)行圖3、圖4的狀態(tài)。

圖3.升壓電路中FET為ON時(shí)的電流路徑

圖4.升壓電路中FET為OFF時(shí)的電流路徑

圖5、圖6說(shuō)明了降壓電路的工作。圖5所示是FET為ON時(shí)的電流路徑，虛線雖是微小的漏電流，但會(huì)使輕負(fù)載時(shí)的效率變差。在FET為ON的時(shí)間里在L積蓄電流能的同時(shí)為輸出供電。圖6是FET為OFF時(shí)的電流路徑。FET即便OFF，L也在工作要保持OFF前的電流值，使SBD為ON。此時(shí)，由于線圈的左端被強(qiáng)制性地降到0V以下，VOUT的電壓下降。

由此，F(xiàn)ET的ON時(shí)間長(zhǎng)L里積蓄的電流能越大，越能獲得大功率電源。降壓時(shí)，由于FET為ON時(shí)也能給輸出供電，所以不需要限制占空比的最大值，因而輸入電壓低于輸出電壓時(shí)，F(xiàn)ET為常ON狀態(tài)，不能進(jìn)行升壓工作，故輸出電壓也降低到輸入電壓以下。

降壓工作就是反復(fù)進(jìn)行圖5和圖6的狀態(tài)。

圖5.降壓電路中FET為ON時(shí)的電流路徑

圖6.降壓電路中FET為OFF時(shí)的電流路徑

DC/DC轉(zhuǎn)換器回路設(shè)計(jì)的4個(gè)要點(diǎn)

DC/DC轉(zhuǎn)換器電路所要求的規(guī)格中應(yīng)重視的項(xiàng)目如下：

穩(wěn)定工作（=不會(huì)因異常振動(dòng)等誤動(dòng)作、燒損、過(guò)電壓而損壞）

效率大

輸出紋波小

負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)好

這些可通過(guò)變更DC/DC轉(zhuǎn)換器IC和外設(shè)元件得到某種程度的改善。這4個(gè)項(xiàng)目的加權(quán)因各項(xiàng)具體應(yīng)用而不同，下面從選擇各元件的觀點(diǎn)出發(fā)，以怎樣才能改善這4個(gè)項(xiàng)目為中心進(jìn)行說(shuō)明。

DC/DC轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)頻率的選擇

DC/DC轉(zhuǎn)換器IC具備固有的開(kāi)關(guān)頻率，頻率的不同會(huì)對(duì)各種特性產(chǎn)生影響。一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)頻率的不同會(huì)對(duì)表2中所示的各種特性產(chǎn)生影響。

表2 開(kāi)關(guān)頻率與各種特性的關(guān)系

圖7～圖8以XC9235/XC9236（1.2MHz）和XC9235/XC9236（3MHz）為具體例子表明開(kāi)關(guān)頻率與效率的關(guān)系。效率明顯呈現(xiàn)表2中所示的結(jié)果。效率最大的電流值不同是因?yàn)椴煌拈_(kāi)關(guān)頻率適合的感應(yīng)系數(shù)值也不同的緣故。對(duì)于結(jié)構(gòu)相同的線圈，感應(yīng)系數(shù)越大直流電阻越增加，重負(fù)載時(shí)的損失增加，由此，效率最大的電流值越是低頻的越會(huì)向輕負(fù)載側(cè)移動(dòng)。相反，頻率高則因FET的充放電次數(shù)增加和IC自身的靜態(tài)消耗電流增大，3MHz產(chǎn)品比1.2MHz產(chǎn)品在輕負(fù)載時(shí)的效率大幅度變差。

綜合來(lái)看這些影響，可知1.2MHz產(chǎn)品的效率最大值大（=效率圖的峰值最大），效率最大的輸出電流值?。?效率圖的峰值偏左）。此外，PFM工作時(shí)，輕負(fù)載時(shí)的頻率都進(jìn)一步下降，效率明顯得到改善。

圖7.XC9235/XC9236

VOUT=1.8V設(shè)定（振蕩頻率1.2MHz）

圖8.XC9235/XC9236

VOUT=1.8V設(shè)定（振蕩頻率3MHz）

圖7～圖8的測(cè)試電路

場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）的選擇

對(duì)電壓?電流的絕對(duì)最大額定值，選擇以減少開(kāi)關(guān)時(shí)的尖峰噪聲和脈沖噪聲的故障率為目的的、額定值為使用電壓的1.5倍～2倍左右、RDS和CISS引起的損失最小的產(chǎn)品，可構(gòu)成效率好的DC/DC轉(zhuǎn)換器電路。雖然RDS和CISS都是越小損失也越小，但因RDS和CISS成反比關(guān)系，改善損失大的一方效果更好。

CISS引起的損失是FET的柵源極間充放電時(shí)被丟棄的功率，可用CISSVGS2f/2來(lái)表示。驅(qū)動(dòng)電壓和開(kāi)關(guān)頻率越大損失就越大，由于重負(fù)載時(shí)和輕負(fù)載時(shí)損失值基本相同，所以會(huì)使輕負(fù)載時(shí)的效率大幅度變差。

而RDS引起的損失是作為因FET的漏源極間電阻成分發(fā)生的熱而放出的，它的值用RDSID2來(lái)表示，負(fù)載越大其值越是增大。因此，可以說(shuō)輕負(fù)載時(shí)減少CISS引起的損失對(duì)提高效率的效果較好，重負(fù)載時(shí)減少RDS引起的損失效果較好。將上述內(nèi)容歸納于下面的表3中。

表3 選擇FET之例

輸入電流可用輸出（負(fù)載）電流×輸出電壓÷輸入電壓÷效率來(lái)計(jì)算求出。效率未知時(shí)，可姑且升壓時(shí)采用70%，降壓時(shí)采用80%左右來(lái)計(jì)算。

圖10是圖11所示的XC9220C093的外設(shè)元件中只更換了FET后測(cè)試的效率圖。其中所用的各FET的規(guī)格值如表4中所示。

從圖10來(lái)看，使用RDS小的FET（XP162A11C0）呈現(xiàn)能驅(qū)動(dòng)更大電流，重負(fù)載時(shí)的效率得到若干改善的趨勢(shì)。但也可知進(jìn)一步大幅度降低輕負(fù)載時(shí)的效率，不必要地使用電流驅(qū)動(dòng)能力大的FET是不適當(dāng)?shù)摹?/p>

圖10. XC9220C093

更換FET后的效率変化

圖11. XC9220C093

圖10的測(cè)試電路

表4 FET的各種特性

線圈的選擇

開(kāi)關(guān)頻率不同的話，最佳L值也不同，因?yàn)榫€圈的電流與FET的ON時(shí)間成正比，與L值成反比。

線圈引起的損失表現(xiàn)為線圈的繞線電阻RDC、鐵氧體磁心產(chǎn)生的損失等的合計(jì)值。不過(guò)對(duì)于2MHz左右的開(kāi)關(guān)頻率，可以認(rèn)為線圈的大部分損失是RDC引起的損失，首先應(yīng)選擇RDC小的線圈。但是為了減小RDC而選擇L值過(guò)小的線圈的話，在FET為ON的時(shí)間內(nèi)電流值過(guò)大，F(xiàn)ET、SBD、線圈產(chǎn)生的熱損失變大，效率下降。而且，因電流增加，紋波也增大。

相反，L值過(guò)大的話，RDC變大，不僅重負(fù)載時(shí)的效率變差，而且鐵氧體磁心發(fā)生磁飽和，L值急速減少，這樣就不能發(fā)揮出線圈的性能，陷入電流過(guò)大引起發(fā)熱的危險(xiǎn)狀態(tài)。因而，為了在L值大的線圈流經(jīng)大電流，形狀上必須有一定程度的大小，以避免磁飽和。

綜上所述，從相對(duì)于開(kāi)關(guān)頻率的外形尺寸和效率兩個(gè)方面來(lái)考慮的話，適當(dāng)?shù)腖值已被限定。表5所示為各開(kāi)關(guān)頻率值的標(biāo)準(zhǔn)L值。為VIN，VOUT在6V 以下的參考數(shù)據(jù)。

圖12、圖13所示是圖14所示的XC9104D093（升壓）電路圖12所示的是圖13的XC9104D093升壓電路的效率圖， 出示只變更L值的效率變化。

同樣，圖14、圖15所示是圖16所示的XC9220A093（降壓）電路的效率和紋波的實(shí)例。

兩個(gè)實(shí)例都是線圈結(jié)構(gòu)相同時(shí)，增大L值則最大輸出電流值減少，輕負(fù)載時(shí)的效率增大，紋波減少。由此可知選擇與輸出電流相適應(yīng)的L值是非常重要的。

圖12. L值與效率的關(guān)系

（升壓時(shí)：XC9104D093）

圖13. XC9104D093

圖12的測(cè)試電路

圖14. L值與效率的關(guān)系

（降壓時(shí)：XC9220A093）

圖15. L值與紋波的關(guān)系

（降壓時(shí)：XC9220A093）

圖16. 圖14、圖15

XC9220A093的測(cè)試電路（PWM=CE=VIN）

肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）的選擇

有關(guān)絕對(duì)最大額定值，根據(jù)與FET同樣的理由，應(yīng)選擇相對(duì)于使用條件的1.5倍～2倍左右的產(chǎn)品。SBD的損失為正向熱損失VF×IF和反向漏電流IR引起的熱損失的合計(jì)值。因此，選擇VF、IR都小的產(chǎn)品比較理想。但是，VF與IR成反比關(guān)系，一般要視負(fù)載電流而選用。VF在重負(fù)載時(shí)大，考慮到IR與負(fù)載無(wú)關(guān)為一定的值，所以輕負(fù)載時(shí)選擇IR小的產(chǎn)品對(duì)提高效率的效果較好，重負(fù)載時(shí)選擇VF小的產(chǎn)品效果較好。將上面的內(nèi)容歸納于下面的表6中。

表6 選擇SBD的要點(diǎn)

圖17所示是圖18所示的XC9220A093電路中只用表7所示的SBD變更時(shí)的效率變化?？煽吹脚cXBS203V17相比， XBS204S7的IR小，所以輕負(fù)載時(shí)的效率高，而因VF較大，所以重負(fù)載時(shí)效率低。

圖17. XC9220A093

SBD的選擇與效率的不同

圖18. 圖17的測(cè)試電路

XC9220A093（降壓時(shí)）

表7 測(cè)試了圖17的SBD的各種特性

CL的選擇

CL越大則紋波越小，但過(guò)分大的話，電容器的形狀也大，成本提高。CL由所需的紋波大小而定。首先，大致以10mV～40mV的紋波大小為目標(biāo)，升壓時(shí)從表8的電容值開(kāi)始，降壓時(shí)從表9的電容值開(kāi)始。但是，不支持低ESR電容器的DC/DC有異常振蕩的危險(xiǎn)，以連續(xù)模式使用時(shí)要想采用低ESR電容器的話，應(yīng)預(yù)先檢查負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，確認(rèn)輸出電壓能否及時(shí)穩(wěn)定（振蕩大致在2次以內(nèi)即收斂）。

圖19是圖20所示的XC9104D093中只更換了CL后測(cè)試的輸出紋波變化。紋波與ESR成正比，與電容值成反比地增大。鋁電解電容時(shí)，沒(méi)有并聯(lián)的陶瓷電容的話，ESR過(guò)大難以獲得輸出電流。

表8 升壓時(shí)CL的標(biāo)準(zhǔn)

表9 降壓時(shí)CL的標(biāo)準(zhǔn)

圖19.隨CL值變化的輸出側(cè)紋波例（XC9104D093）

圖20. XC9104D093 圖19的測(cè)試電路

CIN的選擇

雖然不及CL對(duì)輸出穩(wěn)定性的影響大，但CIN也是電容值越大、ESR越小則輸出穩(wěn)定性越好，紋波也越小。大到某種程度，降低輸出紋波的效果會(huì)變小，從防止對(duì)輸入側(cè)的電磁干擾（EMI）的意義上說(shuō)，電容值應(yīng)從CL的一半左右開(kāi)始探討較好。

圖22同樣顯示了使圖23中的CIN變化時(shí)輸入側(cè)紋波大小會(huì)發(fā)生怎樣的變化。雖然是一般不常進(jìn)行確認(rèn)的數(shù)據(jù)，但對(duì)降低EMI是很重要的數(shù)據(jù)。CIN不會(huì)因ESR太小而輸出振蕩，所以盡量使用低ESR電容為宜。

RFB1， RFB2的選擇

使用FB（反饋）產(chǎn)品時(shí)，RFB1、RFB2用于決定輸出電壓，對(duì)同一輸出電壓有時(shí)可考慮多種組合。此時(shí)選擇RFB1+RFB2=150kΩ～500kΩ比較妥當(dāng)。這里成為問(wèn)題的是輕負(fù)載時(shí)的效率和重負(fù)載時(shí)的輸出穩(wěn)定性。因?yàn)榱飨騌FB1、RFB2的電流沒(méi)有被作為輸出功率使用，而視作DC/DC轉(zhuǎn)換器的損失，所以要想提高輕負(fù)載時(shí)的效率的話，要將RFB1、RFB2設(shè)定得大一些（RFB1+RFB2《1MΩ左右）。而要想提高重負(fù)載時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)的話，則要做好輕負(fù)載時(shí)的效率差的準(zhǔn)備。

CFB的選擇

CFB是紋波反饋調(diào)整用電容器相位補(bǔ)償電容，該值也會(huì)影響負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。根據(jù)L值，表10中的CFB值為最佳值。過(guò)小于該值或過(guò)大于該值工作穩(wěn)定性都差。

圖中以XC9220C093為例說(shuō)明了CFB的影響。在圖26的電路中，RFB1=82kΩ時(shí)，fZFB=10kHz的CFB為390pF左右。（圖23=39pF）、（圖24=390pF）和（圖25=1000pF）是對(duì)改變CFB 時(shí)的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的比較。39pF的話，負(fù)載變重時(shí)電壓急劇下降，電壓恢復(fù)到恒定狀態(tài)的時(shí)間短，而1000pF的話，負(fù)載變重時(shí)的瞬間電壓下降雖小，但電壓恢復(fù)到恒定狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)。

表10 決定最優(yōu)CFB的標(biāo)準(zhǔn)fZFB

圖21. XC9220C093負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)（IOUT=0mA?200mA， CFB=39pF）

圖22. XC9220C093負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)（IOUT=0mA?00mA，CFB=390pF）

圖23. XC9220C093負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)（IOUT=0mA?200mA，CFB=1000pF）FB=1000pF）

圖24. XC9220C093 圖23～圖25的測(cè)試電路

圖25所示為加上RFB1和fZFB時(shí)標(biāo)準(zhǔn)CFB的值
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