凯歌关于DC-DC转换器的二次探讨

记得在去年我们就DC-DC转换器的问题进行过一个系列的讨论，这次之所以重复，是因为在这一年里，我碰到了太多的工程师向我征询关于DC-DC转换器的问题，让我意识到这是个太重要的问题，所以我要旧事重提，再和大家深入探讨下这个系列，并且补充一下新的关键点进去，让大家更透彻的理解，也欢迎更多的工程师朋友和我一起讨论，共同交流

在所有DC-DC转换器中，开关稳压器的效率最高。

开关稳压器的功效显著优于线性稳压器，当然，其代价是开关过程中会产生很大的输出噪声。

不过，开关稳压器拓扑结构适用于广泛应用，包括步升 (升压)、步降 (降压) 和反向电压调节 (升压/降压)。

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。

图1 步升开关稳压器 (升压转换器)

图2步降稳压器 (降压转换器)

下面简要说明升压转换器中的步升开关稳压器功能 (参见图1)。

升压转换器的作用是将输入电压转换为更高的输出电压。

图1所示简易升压转换器含有电感、功率开关、整流二极管和电容。

电感的主要功能是储存能量，并通过功率开关限制电流转换速率 (否则，只能通过开关电阻限制高峰值电流)。

稳态条件下，开关打开，电感为电容充电，直到+Vout等于+Vin (二极管电流为零)。

开关闭合时，电感两端加载输入电压+Vin，因为二极管可以防止电容放电、+Vout (仍等于+Vin) 接地。

电感中的电流以+Vin/L的速率线性加大，di/dt (与开关闭合时间有关)。

当然，当开关再次打开时，电感电流穿过整流二极管再一次为电容充电，dv/dt 电压以I/C比升高 (与开关打开时间有关)。

如果功率开关工作周期等于50%，理想状态下，+Vout等于Vin+Vin，即相当于两倍输入电压 (因为稳态条件下平均电感电压肯定等于零) ! 当然，工作周期D可以相应变化，从而按Vout=Vin/(1-D) 等式调整输出电压。

这为用户在给定的整体功效范围内，根据DC输入电压 (+Vin) 与驱动电路负载所需加倍DC输出电压 (+Vout) 的关系采用升压转换器拓扑结构提供了极大的灵活性。

理想的升压或降压转换器电路在功效方面的确具有大量优点。

升压或降压转换器最大的功耗因素是整流二极管。

利用正向压降乘以二极管电流即可求出耗散功率 (热耗散)。

为实现效率最大化，可用另一支功率开关取代二极管。

这种整流开关可按先断后合时序模式，在主开关闭合时打开，避免两个开关同时导通。

这种配置下，功效可以达93%以上。

图3 Powtech的PT1203 2A、18V、350 KHz同步开关稳压器                      

现在，我们来看步降转换器 (降压)，如图3所示Powtech的PT1203 2A、18V、350 KHz同步开关稳压器。

PT1203是一种采用两个内部功率MOSFET的脉宽调制 (PWM) 同步步降开关型稳压器，在很宽的输入电源范围内可给出2A连续输出电流，负载和线路调节能力十分出色。

电流模式工作下具有快速瞬变响应能力，便于环路稳定。

同时具有故障状态保护功能，包括周期间电流限制和热关断。

PT1203可采用SOP-8或ESOP-8封装，所需外部组件非常少 (参见图4)。

图4 带有外部组件的PT1203应用电路

这种开关稳压器采用MOSFET 晶体管作为功率开关器件。

它含有板载振荡器，可利用一支外部电容设置开关频率，设置范围达350 kHz (一般工作条件下)。

输出电流最高可达2A，带有限流和热关断功能。

总之，当功效成为至关重要的考虑因素 (如便携式电池供电设备)，+Vin一般为DC电压，需要较高+Vout输出电压时，开关稳压器是最理想的选择。

而且，功率越高 (几瓦以上)，开关稳压器越经济，因为由于产生的热量小，因此可以消除复杂散热设计所需的成本和空间。

将注意力集中于开关稳压器的输出电压纹波，以及必须加以驱动的电路，可以显著提高设计水平。

设计开关稳压器时，将系统分解为构成系统所需的功能和性能指标，并确定每个性能的限制因素是十分重要的。

根据整个系统的技术指标，这些参数可以用来决定系统所需的许多模拟性能规格。

首先需要牢记的一点是，电路中任意一个节点都有某种与其连接的元件，从某种角度上说，它即是输入，也是输出。

了解一个概念正面和负面影响可以显著提高您的系统设计能力。

英文版原稿可参考 DCtoDCSwitchingRegulators.doc