TI DC-DC直流基础知识
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• The charge pump regulator is a kind of switching regulator that delivers power by only alternatively charging and discharging capacitors. • It’s suitable applications with low load current and moderate input to output voltage difference
• Switching produces higher output ripple & noise • The output current capacity is limited by the capacitors
3
How Does a Charge Pump Work?
• The capacitors connection is altered by the switches so that the charge and discharge is controlled • Switches S1, S3 and S2, S4 are switching in complementary:
3
线性稳压器的工作原理是什么？
• 线性稳压器和输出阻抗一起形成了一个分压器网络。 • 线性稳压器的作用就像受控的可变电阻器，其可根 据输出负载自我调节以保持一个稳定的输出。
+
4
压降电压
• 压降电压 – 为使线性稳压器处在稳压器的指定工作 范围之内，VIN 与 VOUT 之间可接受的最小压差。
5
线性稳压器的类型
2
优缺点
优点 缺点
• • • • •
高效率 优良的热性能 高功率密度 允许宽输入电压范围 Vout 可以低于或高于 Vin
• 开关操作会产生较高的输出纹波和噪 声 • 缓慢的瞬态响应 • 高复杂性（因为涉及更多的外部组件和 设计变量）
• 可利用变压器提供隔离 • 可利用变压器提供多个输出
3
开关稳压器的工作原理是什么？
8
总结
• DC-DC 转换器的类型 • 转换器的基本特性 • 转换器比较
9
DC-DC 基础知识
1.2 线性稳压器
什么是线性稳压器？
• 线性稳压器是一种无需使用开关组件而能提供一个 恒定电压输出的 DC-DC 转换器。 • 线性稳压器因其低成本、低噪声及简单易用等特性 而在众多应用中得到了非常广泛的使用。 • 但是，线性稳压器也存在着效率有限以及不能提升 电压（使 Vout > Vin）的缺点。
• 较少的组件使充电泵更易于设计
7
转换器比较
• 转换器类型的选择取决于电源设计的优先考虑因素。
线性 稳压器 效率 纹波 EMI 噪声 PCB 面积 成本 20 至 60% 非常低 非常低 非常小 最低
开关稳压器 电感性 90 至 95% 低 中等 最大 最高 充电泵 75 至 90% 中等 低 中等 中等
Q 1 CF Q 3 Q 4 Co
+
VIN
Q 2
VCF +
Io +
LOA D
Vo 2
Pros and Cons
Advantages Disadvantages
• No inductor is needed, smaller size • Moderate Efficiency, higher than linear regulators • Vout can be higher or lower than Vin • Fewer components needed make the charge pump easier to design and lower cost
同步降压
同步
1. 2. 3. 4. MOSFET 具有较低的压降 更高效 需要额外的控制电路 成本较高
6
隔离式与非隔离式
• 隔离式转换器在输入和输出之间没有 DC 电流流动。 • 变压器通过磁场将能量从初级耦合至次级 • 隔离式转换器通常在需要提供初级至次级隔离的医疗及离线应用中使 用 • 并非标准负载点解决方案所常用
2
优缺点
优点 缺点
• 低输出纹波和噪声，无 EMI 问题（因为 没有开关切换操作） • 低成本（至少由于低功耗的原因） • 简单 – 所需的外部组件极少，易于配 置和设计 • 面对大的负载阶跃，可在 Vout 上实现 快速瞬态响应 • 易于实现短路保护
• 低效率，特别是当 Vin - Vout 电压差很 大时 • 热问题 – 面对高功率和/或大压差电 压，将会由于此类稳压器的固有损失而 产生大量的热量 • Vout 必须低于 Vin
• 电源抑制比 (PSRR) – 已调输出电压纹波与输入电 压纹波之比。
– 该规格指标对于具有高噪声限制要求的应用（如低噪声放 大器、音频、RF 和无线等）很重要
• 基带噪声 – 某个特定频率范围内的总噪声能量
– 该规格指标对于具有高噪声限制要求的应用（如 PLL、 TCXO、RF 和无线等）很重要
• 在 LDO 数据表中，只规定了最大输出电流条件下的压 降。在其他的工作条件下，压降可以通过计算求出。 • LDO 中使用的 FET 工作于线性区。FET 在饱和线上具 有最小的电阻。LDO 不能在饱和线的左侧区域中工作。
7
其他的重要规格
• 静态电流 – 由稳压器所消耗且不流向输出负载的电 流。
– 该规格指标对于需要始终保持运行的应用（如基带、实时 时钟等）很重要。
优点
• 由于稳压是通过将能量转入电感器或从电感器转出 来完成的（而不是通过稳压器来消耗功率），因此：
– – – – 可获得较高的效率 通过稳压器耗散的功率较低，故只需一个较小的散热器即可。 开关电源拓扑允许 VOUT 高于、低于或等于 VIN 高功率/cm2 – 产生电磁干扰 (EMI)
缺点
• 需要将电流接入电感器及从电感器接出，因此会：
– 导致输出对负载瞬变的响应速度减慢 – 产生较高的输出纹波和噪声
• 更多的外部组件和设计变量使开关电源难于设计
– 可允许较宽的输入电压范围
• 可提供隔离（利用变压器） • 可提供多个输出（利用变压器）
6
充电泵
应用 Q 1 Q 2 C F Q 3 Q 4 Co
• 需要一个低输出电流的应用 • 具有中等的输入-输出电压差的应用 • 存在空间限制的应用
• 全集成型稳压器
• 部分集成型稳压器
8
Βιβλιοθήκη Baidu结
• 开关稳压器介绍 • 开关稳压器的工作原理 • 开关稳压器的类型
– 基本拓扑 – 同步与非同步 – 隔离式与非隔离式
9
DC-DC Fundamentals
1.4 Charge Pump Regulator
What is a Charge Pump Regulator?
– S1, S3 on, S2, S4 off, charging – S1, S3 off, S2, S4 on, discharging
• By reversing the connections of the output to ground, the unity gain converter becomes negative gain inverter
4
基本拓扑
• 三种基本的开关转换器拓扑：降压、升压和降压-升 压
降压
VIN
升压
VOUT
VIN
VOUT
Vout = D*Vin 降压-升压
VIN
Vout = Vin/(1-D)
VOUT
Vout = -DVin/(1-D)
5
同步与非同步
非同步降压
非同步
1. 在输出电流变化的情况下，二极管 压降相当恒定 2. 效率偏低 3. 成本较低 4. 可采用较高的输出电压
+
VIN
VCF+
Io
LOA D
+
V o
缺点
• 将电容器接入电路及从电路接出会产生电磁干扰 (EMI) • 由于充电泵的输出取决于电容器的充电和放电，因 此其电流供应能力受到限制
优点
• 中等效率 • 由于充电泵将电容器两端的电压接入输出端及从输 出端接出，因此：
– 无需电感器 – VOUT 可高于、低于和等于 VIN
DC-DC 基础知识
1.1 介绍
什么是 DC-DC 转换器？
电源无处不需 几乎所有的电子系统都需要恒定电压电源
DC-DC 转换器是用于提供 DC 电源的电路 数据转换器 DC-DC 电源转换器
工业电源 太阳能电池 电源 另一个转换器 电池
放大器 微处理器 电阻器
负载
另一个转换器
2
转换器的类型
• 线性型
缺点
• 在 VIN>>VOUT 的情况下效率偏低，因而需要使用 一个较大的供电电源 • 利用稳压器产生功率 (VIN – VOUT) * IOUT 通过稳压器耗散，通常需要一个散热器 • VOUT 将始终低于 VIN
5
电感性开关电源
应用
反激式 (降压/升压)
VIN VOUT
• • • • •
要求高效率（输入功率与输出功率之差极小） 的应用 具有极高环境温度的应用（例如：工业和汽车） VIN 远远高于 VOUT 的应用 电源可用空间受限（小面积）的应用 要求高输出功率的应用
是
是
是
高 PSRR（在 20Hz 至 200kHz 频率范围内）
9
总结
• • • • 线性稳压器介绍 线性稳压器的类型 LDO 的压降 LDO 选择过程中的考虑因素
10
DC-DC 基础知识
1.3 开关稳压器
什么是开关稳压器？
• 开关稳压器是一种采用开关组件输送功率的 DCDC 转换器。 • 它可提供高电源转换效率和设计灵活性
8
LDO 的选择
应用 低 Iq 低压降 高 PSRR 低噪声 高电流 注释
LNA、PLL 基带 – 数字 基带 – 模拟 TCXO 实时时钟 音频 是 是 是 是
是
是
定义了系统噪声底层值。需 要低噪声的 LDO 始终保持接通
是 是 是
始终保持接通。需要抑制输 入纹波和低压降 在中频 (IF) 部分使用，用于 在系统中实现低噪声 始终保持接通
• 线性稳压器中的传输元件可以是双极型晶体管或 MOSFET。 不同的配置将产生不同的压降电压 • 双极型线性稳压器具有较高的压降电压，并能支持较高的输 入电压且拥有更好的瞬态响应。 • MOSFET LDO 能支持非常低的压降、低静态电流、改善的 噪声性能和低电源抑制。
6
有关 LDO 压降的更多信息
应用 5V
+ 传输元件
误差放大器 栅极 驱动
3.3V
负载 Vref
+
• 要求极低纹波和噪声的射频或高精度模拟（测量非 常小的电压）电路 • VIN 和 VOUT 的压差极小的应用 • 需要一个精确调节电压的应用 • 要求针对负载的快速变化实现快速瞬态响应的 FPGA 或多内核处理器
优点
• 低输出纹波和噪声 • 面对大的负载变化，可在 VOUT 上实现快速瞬态响 应 • 低成本（至少由于低功耗的原因） • 极少的外部组件使得线性稳压器易于设计 • 由于线性稳压器不会将电流接入电感器，因此无需 担心 EMI 问题 • 易于实现短路保护
– 从电源向负载连续输送功率 – 传输元件（其负责调节从电源至负载的电流流动）工作于线性区
• 开关电源型
– 以脉冲串的形式从电源向负载输送功率 – 传输器件按周期接通和关断
3
转换器特性
• • • • • 系统要求：输出电压、额定电流、输入电压范围 效率 稳态操作 瞬态响应 尺寸、成本 …
4
线性稳压器
• 负责储存能量及向输出负载释放能量的电感器从受控于 开关的输入电源获得能量。 • 降压型转换器实例：
– 当切换至位置 1 时，电感器将储存能量；当切换至位置 2 时， 电感器将释放能量 – 电感器上的平均电压为零：D(Vin-Vo)-D’Vo=0 => Vout = D*Vin
D = 占空比（开关处于为 L 充电之位 置的时间百分比） D’ = 1-D
AC 输入
变压器耦合
横跨隔离边界的反馈 通常是一个光耦合器
具有功率因数校正 (PFC) 功能的初级侧开关模式电源
7
控制器与稳压器
• 控制器
– – – – – – – – – – – – – 分立式 MOSFET 负责提供控制功率级所需的“智能” 设计更加精细复杂 可全面控制 FET 选择、开关频率、过流、补偿、软起动 可通过调整使电源满足您的特殊需求 集成型开关 “即插即用型” 设计 输出滤波器组件的选择范围受限 对于功能性的控制受限 可提供全部或部分特性集，内部或外部补偿 内部功率 FET、外部同步 FET 或箝位二极管 对于频率、过流、软起动等功能的控制受限 可提供较宽的输出滤波器组件选择范围
• Switching produces higher output ripple & noise • The output current capacity is limited by the capacitors
3
How Does a Charge Pump Work?
• The capacitors connection is altered by the switches so that the charge and discharge is controlled • Switches S1, S3 and S2, S4 are switching in complementary:
3
线性稳压器的工作原理是什么？
• 线性稳压器和输出阻抗一起形成了一个分压器网络。 • 线性稳压器的作用就像受控的可变电阻器，其可根 据输出负载自我调节以保持一个稳定的输出。
+
4
压降电压
• 压降电压 – 为使线性稳压器处在稳压器的指定工作 范围之内，VIN 与 VOUT 之间可接受的最小压差。
5
线性稳压器的类型
2
优缺点
优点 缺点
• • • • •
高效率 优良的热性能 高功率密度 允许宽输入电压范围 Vout 可以低于或高于 Vin
• 开关操作会产生较高的输出纹波和噪 声 • 缓慢的瞬态响应 • 高复杂性（因为涉及更多的外部组件和 设计变量）
• 可利用变压器提供隔离 • 可利用变压器提供多个输出
3
开关稳压器的工作原理是什么？
8
总结
• DC-DC 转换器的类型 • 转换器的基本特性 • 转换器比较
9
DC-DC 基础知识
1.2 线性稳压器
什么是线性稳压器？
• 线性稳压器是一种无需使用开关组件而能提供一个 恒定电压输出的 DC-DC 转换器。 • 线性稳压器因其低成本、低噪声及简单易用等特性 而在众多应用中得到了非常广泛的使用。 • 但是，线性稳压器也存在着效率有限以及不能提升 电压（使 Vout > Vin）的缺点。
• 较少的组件使充电泵更易于设计
7
转换器比较
• 转换器类型的选择取决于电源设计的优先考虑因素。
线性 稳压器 效率 纹波 EMI 噪声 PCB 面积 成本 20 至 60% 非常低 非常低 非常小 最低
开关稳压器 电感性 90 至 95% 低 中等 最大 最高 充电泵 75 至 90% 中等 低 中等 中等
Q 1 CF Q 3 Q 4 Co
+
VIN
Q 2
VCF +
Io +
LOA D
Vo 2
Pros and Cons
Advantages Disadvantages
• No inductor is needed, smaller size • Moderate Efficiency, higher than linear regulators • Vout can be higher or lower than Vin • Fewer components needed make the charge pump easier to design and lower cost
同步降压
同步
1. 2. 3. 4. MOSFET 具有较低的压降 更高效 需要额外的控制电路 成本较高
6
隔离式与非隔离式
• 隔离式转换器在输入和输出之间没有 DC 电流流动。 • 变压器通过磁场将能量从初级耦合至次级 • 隔离式转换器通常在需要提供初级至次级隔离的医疗及离线应用中使 用 • 并非标准负载点解决方案所常用
2
优缺点
优点 缺点
• 低输出纹波和噪声，无 EMI 问题（因为 没有开关切换操作） • 低成本（至少由于低功耗的原因） • 简单 – 所需的外部组件极少，易于配 置和设计 • 面对大的负载阶跃，可在 Vout 上实现 快速瞬态响应 • 易于实现短路保护
• 低效率，特别是当 Vin - Vout 电压差很 大时 • 热问题 – 面对高功率和/或大压差电 压，将会由于此类稳压器的固有损失而 产生大量的热量 • Vout 必须低于 Vin
• 电源抑制比 (PSRR) – 已调输出电压纹波与输入电 压纹波之比。
– 该规格指标对于具有高噪声限制要求的应用（如低噪声放 大器、音频、RF 和无线等）很重要
• 基带噪声 – 某个特定频率范围内的总噪声能量
– 该规格指标对于具有高噪声限制要求的应用（如 PLL、 TCXO、RF 和无线等）很重要
• 在 LDO 数据表中，只规定了最大输出电流条件下的压 降。在其他的工作条件下，压降可以通过计算求出。 • LDO 中使用的 FET 工作于线性区。FET 在饱和线上具 有最小的电阻。LDO 不能在饱和线的左侧区域中工作。
7
其他的重要规格
• 静态电流 – 由稳压器所消耗且不流向输出负载的电 流。
– 该规格指标对于需要始终保持运行的应用（如基带、实时 时钟等）很重要。
优点
• 由于稳压是通过将能量转入电感器或从电感器转出 来完成的（而不是通过稳压器来消耗功率），因此：
– – – – 可获得较高的效率 通过稳压器耗散的功率较低，故只需一个较小的散热器即可。 开关电源拓扑允许 VOUT 高于、低于或等于 VIN 高功率/cm2 – 产生电磁干扰 (EMI)
缺点
• 需要将电流接入电感器及从电感器接出，因此会：
– 导致输出对负载瞬变的响应速度减慢 – 产生较高的输出纹波和噪声
• 更多的外部组件和设计变量使开关电源难于设计
– 可允许较宽的输入电压范围
• 可提供隔离（利用变压器） • 可提供多个输出（利用变压器）
6
充电泵
应用 Q 1 Q 2 C F Q 3 Q 4 Co
• 需要一个低输出电流的应用 • 具有中等的输入-输出电压差的应用 • 存在空间限制的应用
• 全集成型稳压器
• 部分集成型稳压器
8
Βιβλιοθήκη Baidu结
• 开关稳压器介绍 • 开关稳压器的工作原理 • 开关稳压器的类型
– 基本拓扑 – 同步与非同步 – 隔离式与非隔离式
9
DC-DC Fundamentals
1.4 Charge Pump Regulator
What is a Charge Pump Regulator?
– S1, S3 on, S2, S4 off, charging – S1, S3 off, S2, S4 on, discharging
• By reversing the connections of the output to ground, the unity gain converter becomes negative gain inverter
4
基本拓扑
• 三种基本的开关转换器拓扑：降压、升压和降压-升 压
降压
VIN
升压
VOUT
VIN
VOUT
Vout = D*Vin 降压-升压
VIN
Vout = Vin/(1-D)
VOUT
Vout = -DVin/(1-D)
5
同步与非同步
非同步降压
非同步
1. 在输出电流变化的情况下，二极管 压降相当恒定 2. 效率偏低 3. 成本较低 4. 可采用较高的输出电压
+
VIN
VCF+
Io
LOA D
+
V o
缺点
• 将电容器接入电路及从电路接出会产生电磁干扰 (EMI) • 由于充电泵的输出取决于电容器的充电和放电，因 此其电流供应能力受到限制
优点
• 中等效率 • 由于充电泵将电容器两端的电压接入输出端及从输 出端接出，因此：
– 无需电感器 – VOUT 可高于、低于和等于 VIN
DC-DC 基础知识
1.1 介绍
什么是 DC-DC 转换器？
电源无处不需 几乎所有的电子系统都需要恒定电压电源
DC-DC 转换器是用于提供 DC 电源的电路 数据转换器 DC-DC 电源转换器
工业电源 太阳能电池 电源 另一个转换器 电池
放大器 微处理器 电阻器
负载
另一个转换器
2
转换器的类型
• 线性型
缺点
• 在 VIN>>VOUT 的情况下效率偏低，因而需要使用 一个较大的供电电源 • 利用稳压器产生功率 (VIN – VOUT) * IOUT 通过稳压器耗散，通常需要一个散热器 • VOUT 将始终低于 VIN
5
电感性开关电源
应用
反激式 (降压/升压)
VIN VOUT
• • • • •
要求高效率（输入功率与输出功率之差极小） 的应用 具有极高环境温度的应用（例如：工业和汽车） VIN 远远高于 VOUT 的应用 电源可用空间受限（小面积）的应用 要求高输出功率的应用
是
是
是
高 PSRR（在 20Hz 至 200kHz 频率范围内）
9
总结
• • • • 线性稳压器介绍 线性稳压器的类型 LDO 的压降 LDO 选择过程中的考虑因素
10
DC-DC 基础知识
1.3 开关稳压器
什么是开关稳压器？
• 开关稳压器是一种采用开关组件输送功率的 DCDC 转换器。 • 它可提供高电源转换效率和设计灵活性
8
LDO 的选择
应用 低 Iq 低压降 高 PSRR 低噪声 高电流 注释
LNA、PLL 基带 – 数字 基带 – 模拟 TCXO 实时时钟 音频 是 是 是 是
是
是
定义了系统噪声底层值。需 要低噪声的 LDO 始终保持接通
是 是 是
始终保持接通。需要抑制输 入纹波和低压降 在中频 (IF) 部分使用，用于 在系统中实现低噪声 始终保持接通
• 线性稳压器中的传输元件可以是双极型晶体管或 MOSFET。 不同的配置将产生不同的压降电压 • 双极型线性稳压器具有较高的压降电压，并能支持较高的输 入电压且拥有更好的瞬态响应。 • MOSFET LDO 能支持非常低的压降、低静态电流、改善的 噪声性能和低电源抑制。
6
有关 LDO 压降的更多信息
应用 5V
+ 传输元件
误差放大器 栅极 驱动
3.3V
负载 Vref
+
• 要求极低纹波和噪声的射频或高精度模拟（测量非 常小的电压）电路 • VIN 和 VOUT 的压差极小的应用 • 需要一个精确调节电压的应用 • 要求针对负载的快速变化实现快速瞬态响应的 FPGA 或多内核处理器
优点
• 低输出纹波和噪声 • 面对大的负载变化，可在 VOUT 上实现快速瞬态响 应 • 低成本（至少由于低功耗的原因） • 极少的外部组件使得线性稳压器易于设计 • 由于线性稳压器不会将电流接入电感器，因此无需 担心 EMI 问题 • 易于实现短路保护
– 从电源向负载连续输送功率 – 传输元件（其负责调节从电源至负载的电流流动）工作于线性区
• 开关电源型
– 以脉冲串的形式从电源向负载输送功率 – 传输器件按周期接通和关断
3
转换器特性
• • • • • 系统要求：输出电压、额定电流、输入电压范围 效率 稳态操作 瞬态响应 尺寸、成本 …
4
线性稳压器
• 负责储存能量及向输出负载释放能量的电感器从受控于 开关的输入电源获得能量。 • 降压型转换器实例：
– 当切换至位置 1 时，电感器将储存能量；当切换至位置 2 时， 电感器将释放能量 – 电感器上的平均电压为零：D(Vin-Vo)-D’Vo=0 => Vout = D*Vin
D = 占空比（开关处于为 L 充电之位 置的时间百分比） D’ = 1-D
AC 输入
变压器耦合
横跨隔离边界的反馈 通常是一个光耦合器
具有功率因数校正 (PFC) 功能的初级侧开关模式电源
7
控制器与稳压器
• 控制器
– – – – – – – – – – – – – 分立式 MOSFET 负责提供控制功率级所需的“智能” 设计更加精细复杂 可全面控制 FET 选择、开关频率、过流、补偿、软起动 可通过调整使电源满足您的特殊需求 集成型开关 “即插即用型” 设计 输出滤波器组件的选择范围受限 对于功能性的控制受限 可提供全部或部分特性集，内部或外部补偿 内部功率 FET、外部同步 FET 或箝位二极管 对于频率、过流、软起动等功能的控制受限 可提供较宽的输出滤波器组件选择范围